【51单片机系列】串口通信模块

一、计算机串行通信基础

计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。计算机通信是将计算机技术和通信技术的相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。

通信有并行通信和串行通信两种方式。在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。

• 并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，如下图。并行通信控制简单、传输速度快；但由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难。

• 串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个传送，如下图。串行通信的特点是传输线少，长距离传送时成本低，并且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。

二、串行通信的基本概念

串行通信根据收发双方是否使用同步时钟分为两种方式：同步串行通信与异步串行通信。

2.1、异步通信与同步通信

（1）异步通信

异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。

异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的时间间隔（间隙）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间不一定有位间隔的整数倍的关系，但同一字符内的各位之间的距离均为位间隔的整数倍。

异步通信的数据格式如下，一个字符帧包括：1个起始位+8个数据位+1个校验位+1个停止位=11个位。

异步通信的特点是：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2~3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。

（2） 同步通信

同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为位间隔的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系

发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现：外同步和自同步，如下。

2.2、串行通信的传输方向

串行通信的传输方向有单工、半双工、全双工。

• 单工是指数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输。
• 半双工是指数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行。
• 全双工是指数据可以同时进行双向传输。

如下图从左至右分别是单工、半双工、全双工通信。

2.3、串行通信常见的错误校验

• 奇偶校验

在发送数据时，数据位尾随的1位为奇偶校验位（1或0）。

奇校验时，数据中”1“的个数与校验位“1”的个数之和应为奇数；

偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为偶数。

接收字符时，对“1”的个数进行校验，如果发现不一致，说明传输数据过程中出现了差错。

比如对于发送的数据11000110，该数据中1的个数有4个。如果采用奇校验，那么校验位应该为1；如果采用偶校验，那么校验位应该为0。

• 代码和校验

代码和校验是发送方将所发数据块求和（或各字节异或），产生一个字节的校验字符（校验和）附加到数据块末尾。

接收方接收数据同时对数据块（除校验字节外）求和（或各字节异或），将得到的结果与发送方的校验和进行比较，相符则无差错，否则认为传送过程中出现了差错。

• 循环冗余校验

循环冗余校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验，常用于对磁盘信息的传输、存储区的完整性校验等。这种校验方法纠错能力强，广泛用于同步通信中。

2.4、传输速率

串行通信的传输速率以比特率（也称为波特率）为单位，比特率是每秒钟传输二进制的位数，单位是位/秒（bps）。如果每秒钟传送240个字符，每个字符格式包含10位（1个起始位、1个停止位、8个数据位），那么此时的比特率为：10位x240个/秒=2400bps。

串行接口或终端直接传送串行信息位流的最大距离与传输速率及传输线的电气特性有关。

• 当传输线使用每0.3m有50pF电容的非平衡屏蔽双绞线时，传输距离随传输速率的增加而减小。

• 当比特率超过1000bps时，最大传输距离迅速下降，如9600bps时最大距离下降到只有76m。

三、串行通信接口标准

3.1、RS-232C接口

RS-232C是EIA（美国电子工业协会）1969年修订的RS-232C标准，该标准定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。

• RS-232C的机械特性

RS-232C接口规定了使用25针连接器，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确定义。（阳头）

下图是RS-232C接口示意图，左图是标准的25针连接器，由图是9针非标准连接器。

RS-232C接口的功能特性如下，序号内是9针非标准连接器的引脚号。

插针序号	接口名称	功能	信号方向
1	PGND	保护接地
2（3）	TXD	发送数据（串行输出）	DTE→DCE
3（2）	RXD	接收数据（串行输入）	DTE←DCE
4（7）	RTS	请求发送	DTE→DCE
5（8）	CTS	允许发送	DTE←DCE
6（6）	DSR	DCE就绪，数据建立就绪	DTE←DCE
7（5）	SGND	信号接地
8（1）	DCD	载波检测	DTE←DCE
20（4）	DTR	DTE就绪，数据终端准备就绪	DTE→DCE
22（9）	RI	振铃指示	DTE←DCE

RS-232C的过程特性规定了信号之间的时序关系，以便正确地接收和发送数据。

RS232C电平与TTL电平转换驱动电路如下所示：

RS-232C接口存在如下问题：

• 传输距离短，传输速率低

RS-232C总线标准受电容允许值的约束，使用时传输距离一般不要超过15米（线路条件好时也不要超过几十米）。最高传输速率为20Kbps。

• 有电平偏移

RS-232C总线标准要求收发双方共地。通信距离较大时，收发双方的地电位差别较大，在信号地上将有比较大的地电流并产生压降。

• 抗干扰能力差

RS-232C在电平转换时采用单端输入输出，在传输过程中干扰和噪声会混在正常的信号中。为了提高信噪比，RS-232C总线标准不得不采用比较大的电压摆幅。

3.2、RS-422A

RS-422A输出驱动器为双端平衡驱动器。如果其中一条线为逻辑“1”状态，另一条线就位逻辑“0”，比采用单端不平衡驱动对电压的放大倍数大一倍。

差分电路能从地线干扰中拾取有效信号，差分接收器可以分辨200mV以上的电位差。

如果传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放大器的作用，可以使干扰和噪声相互抵消。因此可以避免或大大减弱地线干扰和电磁干扰的影响。

RS-422A传输速率为90Kbps时，传输距离可达1200米。