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串口通信协议

日期:2020-01-07 / 人气:

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串口通信指串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比特字节(byte)的串行通信慢,但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信协议是指规定了数据包的内容,内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位,双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。在串口通信中,常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485。

串口在嵌入式系统当中是一类重要的数据通信接口,其本质功能是作为 CPU 和串行设备间的编码转换器。当数据从 CPU 经过串行端口发送出去时,字节数据转换为串行的位;在接收数据时,串行的位被转换为字节数据。应用程序要使用串口进行通信,必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求(打开串口),通信完成后必须释放资源(关闭串口)。典型地,串口用于 ASCII 码字符的传输。通信使用3根线)发送数据线)接收数据线。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口,这些参数必须匹配:波特率是一个衡量通信速度的参数,它表示每秒钟传送的 bit 的个数;数据位是衡量通信中实际数据位的参数,当计算机发送一个信息包,标准的值是 5,7 和 8 位。如何设置取决于你的需求;停止位用于表示单个包的最后一位,典型的值为 1,1.5和 2 位,停止位不仅仅是表示传输的结束,并且提供计算机校正时钟同步的机会;奇偶校验位是串口通信中一种简单的检错方式,有四种检错方式——偶、奇、高和低,也可以没有校验位。

串口异步通讯中由于没有时钟信号,所以通讯双方需要约定好波特率,即每个码元的长度,以便对信号进行解码。常见的波特率有4800、9600、115200等。

数据包从起始位开始,到停止位结束。起始信号用逻辑0的数据位表示,停止信号由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示,只要双方约定一致即可。

起始位之后便是传输的主体数据内容了,也称为有效数据,其长度一般被约定为5、6、7或8位长。

由于在通讯过程中易受到外部干扰导致传输数据出现偏差,所以在有效数据之后加上校验位解决。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)及无校验(noparity)。奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数,比如一个8位长的有效数据为:01101001,此时共有4个“1”,为达到奇校验效果,校验位为“1”,最后传输的是8位有效数据加1位校验位,共9位。

偶校验刚好相反,要求有效数据和校验位的“1”数量为偶数,则此时为达到偶校验效果,校验位为“0”。而0校验则无论有效数据中是什么数据内容,校验位总是为“0”,1校验校验位总是为“1”。

RS-232(ANSI/EIA-232标准)是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。可用于许多用途,比如连接鼠标、打印机或者Modem,同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进,实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS-232串口通信最远距离是50英尺。

DCD(pin 1):数据载波检测(Data Carrier Detect)

DTR(pin 4):数据终端就绪(Data Terminal Ready)

RS-422(EIA RS-422-AStandard)是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422使用差分信号,RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号,对比RS-232,它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。

RS-485EIA-485标准)是RS-422的改进,因为它增加了设备的个数,从10个增加到32个,同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性,以保证足够的信号电压。有了多个设备的能力,你可以使用一个单个RS-485口建立设备网络。出色抗噪和多设备能力,在工业应用中建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时,串行连接会选择RS-485。RS-485是RS-422的超集,因此所有的RS-422设备可以被RS-485控制。RS-485可以用超过4000英尺的线进行串行通行。

RS-232通信方式允许简单连接三线:Tx、Rx和地线。但是对于数据传输,双方必须对数据定时采用使用相同的波特率。尽管这种方法对于大多数应用已经足够,但是对于接收方过载的情况这种使用受到限制。这时需要串口的握手功能。在这一部分,我们讨论三种最常用的RS-232握手形式:软件握手、硬件握手和Xmodem。

a,软件握手:我们讨论的第一种握手是软件握手。通常用在实际数据是控制字符的情况,类似于GPIB使用命令字符串的方式。必须的线仍然是三根:Tx,Rx和地线,因为控制字符在传输线上和普通字符没有区别,函数SetXModem允许用户使用或者禁止用户使用两个控制字符XON和XOFF。这些字符在通信中由接收方发送,使发送方暂停。

例如:假设发送方以高波特率发送数据。在传输中,接收方发现由于CPU忙于其他工作,输入buffer已经满了。为了暂时停止传输,接收方发送XOFF,典型的值是十进制19,即十六进制13,直到输入buffer空了。一旦接收方准备好接收,它发送XON,典型的值是十进制17,即十六进制11,继续通信。输入buffer半满时,LabWindows发送XOFF。此外,如果XOFF传输被打断,LabWindows会在buffer达到75%和90%时发送XOFF。显然,发送方必须遵循此守则以保证传输继续。

b,硬件握手:第二种是使用硬件线握手。和Tx和Rx线一样,RTS/CTS和DTR/DSR一起工作,一个作为输出,另一个作为输入。第一组线是RTS(Request to Send)和CTS(Clear toSend)。当接收方准备好接收数据,它置高RTS线表示它准备好了,如果发送方也就绪,它置高CTS,表示它即将发送数据。另一组线是DTR(DataTerminal Ready)和DSR(Data SetReady)。这些线主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他们的状态。例如:当Modem已经准备好接收来自PC的数据,它置高DTR线,表示和电话线的连接已经建立。读取DSR线置高,PC机开始发送数据。一个简单的规则是DTR/DSR用于表示系统通信就绪,而RTS/CTS用于单个数据包的传输。

在LabWindows,函数SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。如果CTS模式使能,LabWindows使用如下规则:

c,XModem握手:最后讨论的握手叫做XModem文件传输协议。这个协议在Modem通信中非常通用。尽管它通常使用在Modem通信中,XModem协议能够直接在其他遵循这个协议的设备通信中使用。在LabWindows中,实际的XModem应用对用户隐藏了。只要PC和其他设备使用XModem协议,在文件传输中就使用LabWindows的XModem函数。函数是XModemConfig,XModemSend和XModemReceive。

XModem使用介于如下参数的协议:start_of_data、end_of_data、neg_ack、wait_delay、start_delay、max_tries、packet_size。这些参数需要通信双方认定,标准的XModem有一个标准的定义:然而,可以通过XModemConfig函数修改,以满足具体需要。这些参数的使用方法由接收方发送的字符neg_ack确定。这通知发送方其准备接收数据。它开始尝试发送,有一个超时参数start_delay;当超时的尝试超过max_ties次数,或者收到接收方发送的start_of_data,发送方停止尝试。如果从发送方收到start_of_data,接收方将读取后继信息数据包。包中含有包的数目、包数目的补码作为错误校验、packet_size字节大小的实际数据包,和进一步错误检查的求和校验值。在读取数据后,接收方会调用wait_delay,然后向发送方发送响应。如果发送方没有收到响应,它会重新发送数据包,直到收到响应或者超过重发次数的最大值max_tries。如果一直没有收到响应,发送方通知用户传输数据失败。

由于数据必须以pack_size个字节按包发送,当最后一个数据包发送时,如果数据不够放满一个数据包,后面会填充ASCII码NULL(0)字节。这导致接收的数据比原数据多。在XModem情况下一定不要使用XON/XOFF,因为XModem发送方发出包的数目很可能增加到XON/OFF控制字符的值,从而导致通信故障。



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