RS232通讯

在这一课里，我们一起来学习RS-232C串行通信相关标准及单片机和电脑的RS-232C串行通信接口技术，为学习和开发单片机串口通信应用系统打好基础，希望大家在看完这篇文章后对串行通信有初步的认识。

    【通信基本概念】

    

    什么是通信？简单地说，不同的系统经由线路相互交换数据，就是通信。通信的主要目的是将数据从一端传送到另一端，达到数据交换的目的。例如，从人与人之间的对话、计算机与设备之间的数据交换到计算机与计算机间的数据传送，乃至于广播或卫星都是通信的一种，一个完整的通信系统包括发送端、接收端、转换数据的接口及传送数据的实际信道。

    【通信的种类】

    

    按照通信的形式可以分为两种，其中一种为并行传输的通信，即并行通信（Parallel Communication），另一种则为串行通信（Serisl Communication）。这两种通信方式的区别是，并行通信一次的传输数据量为8位（1个字节）；而串行通信则一次只能传输1位，传输1字节数据（8位）数据就需要8次才能传出去，因此，它们两者之间的数据传输速度就相差8倍。看到这里，估计有些朋友会问，既然并行通信的速度是串行通信的8倍，是不是串行通信就不好了？！其实不能这么认为，两种通信方式各有特点，串行通信之所以存活了这么长时间，自然有它的长处。

    并行通信虽然可以在一次的数据传输中传送8位，但是数据电压在传送的过程中，容易因为线路及干扰因素使得电压准电位发生变化（主要为电压衰减和信号间相互干扰问题），因而使得传输数据发生错误，通信距离越长，问题越明显，因此并行通信主要用于传输距离较短的场合，如电脑主板的并口LPT1，主要和并行打印机通信。

    串行通信一次只传输1位，相对来说，要处理的数据电压只有一个，因此比较不容易漏失数据，通信时候再加上一些校验防范措施后，串行通信的出错就更不容易了，串行通信端口（Serisl Communication Port）在系统控制的范畴中一直占有极其重要的角色，不仅没有因为时代的进步而被淘汰，反而失在规格上愈来愈向其极限挑战，下面我们重点来介绍RS-232C串行通信。

    【RS-232串行通信】

    

    一、RS-232C标准介绍

    RS-232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广泛的标准总线。RS-232C 标准（协议）的全称是EIA-RS-232C 标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，其中RS是Recommended Standard的缩写，代表推赠标准，232是标识符，C代表RS-232的最新一次修改（1969年），在这之前，有过RS-232A、RS-232B标准，它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。现在，计算机上的串行通信端口（RS-232）是标准配置端口，已经得到广泛应用，计算机上一般都有1～2个标准RS-232C串口，即通道COM1和COM2。下图为计算机主板上的两个RS-232通信端口图片及端口属性，我们一般可以从计算机后面查看到本机的通信端口。 

		计算机的RS-232串行通信接口图片 如左图所示，我们可以从操作系统的设备管理器中查看电脑的通信端口属性，进入计算机的：控制面板 -> 系统 -> 硬件 -> 设备管理器 -> 端口，就可以看到自己电脑通信端口，在图中显示了这台计算机有1个ECP打印机并行通信端口LPT1和2个RS-232串行通信端口COM1和COM2。只要显示的端口名称前面没有黄色的惊叹号的话，就表示这个端口是可以使用的。

    二、RS-232C电气特性

    

    EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了明确规定。

    

    在TXD和RXD引脚上电平定义：逻辑1(MARK) ＝ -3V～-15V

                       逻辑0(SPACE) ＝ ＋3～＋15V

    

    在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD等控制线上电平定义：

    信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V

    信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V～-15V

    以上规定说明了RS-232C 标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”的传输的电平为-3V～-15V，逻辑“0”传输的电平为+3V～+15V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平为+3V～+15V，断开状态(OFF)即信号无效的电平为-3V～-15V，也就是当传输电平的绝对值大于3V 时，电路可以有效地检查出来；而介于-3～+3V之间的电压即处于模糊区电位，此部分电压将使得计算机无法准确判断传输信号的意义，可能会得到0，也可能会得到1，如此得到的结果是不可信的，在通信时候体现的是会出现大量误码，造成通信失败。因此，实际工作时，应保证传输的电平在±(3～15)V 之间。

    三、RS-232C机械连接器及引脚定义

    

    目前，大部分计算机的RS-232C通信接口都使用了DB9连接器，如上面图中所示，主板的接口连接器有9根针输出（RS-232公头），也有些比较旧的计算机使用DB25连接器输出，下面我们来介绍DB9和DB25输出接口的引脚定义。

RS-232C串口引脚定义表
9针RS-232串口（DB9）			.	25针RS-232串口（DB25）
引脚	简写	功能说明		引脚	简写	功能说明
1	CD	载波侦测（Carrier Detect）		8	CD	载波侦测（Carrier Detect）
2	RXD	接收数据（Receive）		3	RXD	接收数据（Receive）
3	TXD	发送数据（Transmit）		2	TXD	发送数据（Transmit）
4	DTR	数据终端准备（Data Terminal Ready）		20	DTR	数据终端准备（Data Terminal Ready）
5	GND	地线（Ground）		7	GND	地线（Ground）
6	DSR	数据准备好（Data Set Ready）		6	DSR	数据准备好（Data Set Ready）
7	RTS	请求发送（Request To Send）		4	RTS	请求发送（Request To Send）
8	CTS	清除发送（Clear To Send）		5	CTS	清除发送（Clear To Send）
9	RI	振铃指示（Ring Indicator）		22	RI	振铃指示（Ring Indicator）

    四、RS-232C的通信距离和速度

    

    RS-232规定最大的负载电容为2500pF，这个电容了传输距离和传输速率，由于RS-232C的发送器和接收器之间具有公共信号地（GND），属于非平衡电压型传输电路，不使用差分信号传输，因此不具备抗共模干扰的能力，共模噪声会耦合到信号中，在不使用调制解调器（MODEM）时，RS-232能够可靠进行数据传输的最大通信距离为15米，对于RS232远程通信，必须通过调制解调器进行远程通信连接。

    现在个人计算机所提供的串行端口的传输速度一般都可以达到115200bps甚至更高，标准串口能够提供的传输速度主要有以下波特率：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps等，在仪器仪表或工业控制场合，9600bps是最常见的传输速度，在传输距离较近时，使用最高传输速度也是可以的。传输距离与传输速度的关系成反比，适当地降低传输速度，可以延长RS-232的传输距离，提高通信的稳定性。

一、RS232C串行接口标准简介 

RS232C是1969年有电子工业协会（EIA）公布的标准，RS是推荐标准（recommended standard）的缩写。该标准的用途是定义数据终端设备（DTE)与数据通信设备（DCE）接口的电气特性。图1是个人计算机通过RS232C 、调制解调器访问远程计算机的应用框图。RS232C接口在个人计算通信中起着极为重要的作用。 

图1 RS232C接口应用图例 

1、RS232C信号特性、电缆长度及波特率 

为了确保正确的发送二进制数据和正确的执行设备控制，RS232C标准为数据和管制信号提供了电压标准及范围。当RS232C的线路上没有通信的数据信号时，DTE端的发送信号保持－15V的电压。电压标准如表1所示 

表1 交换电压标准 

电压	逻辑状态	信号状态	接口控制功能
+3V～+15V	0	间隔	接通
－3V～－15V	1	标志	断开

RS232C标准规定电缆长度限定在15m以内，串行数据传速率的范围为0～20000b/s。这一规定足以覆盖个人计算机使用的50～9600b/s范围。电缆长度也足以满足大多数个人计算机通信的要求。 

2、RS232C引脚分配及定义 

RS232C标准规定设备间使用带"D"型25针连接器的电缆通信。“D"型25芯标准连接器见图2所示。在这25根引线中，有20根要用作信号线，其他3根（11、18、25）未定以用途，2根（9、10）备用。 

表2 对RS232C的25针连接器引脚定义进行了说明 

     表 2 RS232C标准25针连接器引脚定义 

引脚号	名称	名称缩写	信号方向	说明
1	frame ground	FG		屏蔽地线
2	transmitted data	TXD	从DTE至DCE	传送数据线
3	received data	RXD	从DCE至DTE	接受数据线
4	request to send	RTS	从DTE至DCE	请求发送
5	clear to send	CTS	从DCE至DTE	允许发送
6	data set ready	DSR	从DCE至DTE	数据设备（DCE）准备好
7	signal ground	SG		信号逻辑地线
8	data carrier  detect	DCD	从DCE至DTE	数据载波检测
9	reserved			备用
10	reserved			备用
11	unassigned			未定义
12	secondary data carrier detect	DCD	从DCE至DTE	数据载波检测（二次通道）
13	secondary clear to send	CTS	从DCE至DTE	允许发送（二次通道）
14	secondary transmintted data	TXD	从DTE至DCE	传送数据（二次通道）
15	transmit clock	TXC	从DCE至DTE	传送时钟
16	secondary received data	RXD	从DCE至DTE	接受数据线（二次通道）
17	received clock	RXC	从DTE至DCE	接受时钟
18	unassigned			未定义
19	secondary request send	RTS	从DTE至DCE	请求发送（二次通道）
20	data terminal ready	DTR	从DTE至DCE	数据终端准备好
21	signal quality detect	SQD	从DCE至DTE	信号质量检测
22	ring indicator	RI	从DCE至DTE	振铃指示
23	data rate select	DRS	从DTE至DCE	数据速率选择。它是针对21引脚改变的答应
24	external transmit clock		从DTE至DCE	外部发送时钟
25	unassigned			未定义

但目前已经很少有人使用25针D型连接器了，一般都使用9针D型连接器，9针和25针连接器间的对应关系如表3所示 

表3 9针连接器和25针连接器间的对应关系 

9针连接器	25针连接器
1	8
2	3
3	2
4	20
5	7
6	6
7	4
8	5
9	22

3、RS232C数据线 

RS232C的数据线有2根：发送数据线 TXD 和接收数据线RXD。与逻辑地线7结合起来工作，足以实现全双工和半双工的信息传输。信号是从DTE角度说明的，在DTE一方引脚2定义为TXD，引脚3定义为RXD。为了使DCE能很好地与DTE配合，协同进行发送与接收工作，在DCE一方引脚2定义为RXD，引脚3定义为TXD，为了能实现正确地传输，对这一点必须给予应有的注意。在使用RS232C标准插头实现连接之前，用户必须根据已有的DTE及DCE的具体说明，做好匹配的调整工作。 

对数据线上所传输的数据格式、RS232C标准并没有严格的规定。所传输的数据速率是多少、有无奇偶校验位、停止位为多少、字符代码采用多少位等问题，应由发送方与接受自行商定，达成一致的协议。 

4、RS232C的控制线 

RS232C的控制线是为建立通信链接和维持通信链接而使用的信号。图3所示通信过程说明了RS232C控制线的功能 

在图中，本地的数据终端设备DTE通过本地及远程的调制解调器，与远程的数据终端DTE进行通信，DTE与MODEM 之间采用的是RS232C接口。MODEM之间则是通过电话线进行数据交换，图3标出了通信过程和RS232C的控制信号出现的从上向下的顺序。 

（1） DTE：数据终端准备好。DTE设备加电以后，并能正确实现通信的功能，向DCE发出DTR信号，表示数据终端已做好准备工作，可以进行通信。 

（2） DSR ：数据设备准备好。数据设备是DCE通信的设备，如此的MODEM。MODEM加电以后，并能正常执行通信功能时，向DTE发出DSR信号，表示MODEM已准备好。这两个准备好信号，在通信的过程中首先要对他们进行测试，以了解通行对方的状态，以可靠的建立通信。但是如果通信的对方并不要求测试，就可以不发出此信号。 

（3）RTS ：请求发送。当DTE有数据需要向远程DTE传输通信时，DTE在测得DSR有效，即MODEM接收到   信号时 ，根据提供的目的电话编码，向远程MODEM发出呼叫。远程RST收到此呼叫，首先发出2000HZ得短小短续得冲击声，以关闭电话线路得回声消除器，然后发出回答载波信号。本地MODEM接收此载波信号，确认已获得两对方的同意，它向远程MODEM发出原载波信号相对方表示是一个可用的MODEM同时用RS232C的第8引线发出数据载波信号DCD，向DTE表示已检测出有效的回答载波信号 

（4）DCD：数据载波检测时MODEM发向DTE，表示已检测出对方载波信号。 

（5）CTS：允许发送。每当一个MODEM辨认出对方MODEM已准备好运行接收时，他们便用CTS信号通知自己的DTE，表示这个通信通路已为传输数据作好准备，允许DTE进行数据的发送。至此通信链路才建立，开始通信。 

在半双工的通信中，CTS是对DTE的RTS信号的答应，使DTE开始传输数据。在全双工的通信中，CTS一般保持很长时间，而对RTS并不要求保持很长时间，通信链路建立后，即可降下。 

上述这些控制线，连同数据线及逻辑地线（引线7），即可构成基本的最长接线。 

（6）RI：振铃指示线。如果MODEM具有自动应答能力，当对方通信传叫来时，MODEM用引线向DTE发出   信号，指示此呼叫。在电话呼叫振铃结束后，MODEM在DTE已准备好通信的条件（即DTE有效），立即向对方自动应答 

5、RS23C的连接方法 

在RS232C的机械结构中，有25个插针的连接器（DB-25）。数据采集和控制系统中如果有联网通信，和在本地和远程控制数据时，RS232C是数据终端设备和调制解调器之间的接口标准，所以数据终端设备和调制解调器各有对应的规格，通信会连接的双方必须配对。 

终端与终端之间连接的例子如图4所示 

（1）发送终端与接收终端连接，和接收端与发送端连接，各级端一旦处于工作状态，就可以不管对方的状态而发送或接收数据，由软件来去认数据的发送和接收。

（2）一方的RTS和另一方的CTS相连。这种情况挂钩联络是困难的，互相通信时，需要知道对方是否可以接收数据。但是这种连接方式只求通过发送请求将对方置与可发送状态。编制程序时，必须注意这个问题。

（3）通过检查DSR，能够确认对方是否输出了发送请求，把DTR置于ON，使对方知道可以接收，因而注意这个问题。另外，大规模集成电器与RS232C的连接方法很多,只要充分了解RS232C的接口规定，就可以迎刃而解。

二、RS422和RS485

随着通信技术的发展，对通信速率的要求越来越高，距离要求越来越远。根据RS232C标准，他的最高传输速率为20kb/s时，最远距离仅为15m，当然在使用中也可达到60m，但这远远不能满足上述发展对速度及距离所提出的新的要求。美国EIA学会与1977年在RS232C基础上提出了改进的标准RS449,现在的RS422和RS485都是从RS449派生出来的。

RS422是利用差分传输方式提高通信距离和可靠性的一种通信标准，它在发送端使用2根信号线发送同一信号（2根线的极性相反），在接收端对这两根线上的电压信号相减得到实际信号，这种方式可以有效的抗共模干扰，提高通信距离，最远可以传送1200m，原理图如图 5

图 5 RS422/RS485原理

 RS485的电器标准与RS422完全相同，但当RS485线路空闲（即不传送信号）时，线路处于高阻（或挂起）状态这时RS485线路就可以允许被其他设备占用，也就是说具有RS485通信接口的设备连成网络。根据RS485驱动芯片驱动能力的不同，一个RS485数据发送设备可以驱动32～256台RS485数据接收设备。当RS485网络上的设备多于2台时，就必须采用半双工方式进行通信，即数据发送和接收使用同一线路，发送时不允许接收数据进入线路，反之亦然，在RS485网络中只允许有一个设备是主设备，其余全部是从设备；或者无主设备，各个设备之间通过传递令牌获得总线控制权。

由于RS422/RS485具有诸多优点，现已被大量采用，但普通PC机很少直接配置RS422/RS485通信接口，只有工控机提供的ALL-IN-ONE，主板配置有RS422/RS485通信口，可以用跳线选择T通信的工作方式是RS422还是RS485。市场上有大量的RS422/RS485/RS232转换或可以直接插在PC机扩展槽上的RS422/RS485通信卡销售。

三、20mA电流环接口

另一种流行的串行连接方式是电流控制，而不像RS232C标准那样用电压控制。电流控制是把20mA电流作为逻辑“1”，零电流作为逻辑“0”。

电流还在许多方面比RS232C接口优越。它内在的双端传输具有对共模噪音的抑止作用，而且由于他采用隔离技术能消除接地回路引起的一些问题，因而他的连接距离比RS232C长的多。

EIA把RS232C接口作为正式标准，而20mA电流环的文件在目前还只是非正式标准。所以，大多说制造厂商都提供RS232C串行接口，这样这种连接得到了最广泛的使用。因为RS232C和电流接口之间只在电气连接上存在差别，所以两者可共用I/O接口，设计师常常为串行口提供2个不同的连接器来利用这个公共口。一个接到电流环，另一个接到RS232C。这就允许用户根据具体情况，决定采用2种接口中的一种。

市场上也有产品可以直接插在PC机扩展槽上的电流环通信卡销售。