串口摘录详解

通信简介

通信方式分为两种：

l 串行（字符数据按位传输，区别高低位，控制时序稍复杂-）
l 并行（数据位一次传输完成，传输中需要其他控制信号线完成，速度快）
通信协议：

包含数据格式，同步方式，传输速率，校验方式等。
串行通信同步方式

l 同步（发送接收方使用同一套时钟）
同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制。
n 外同步：有一单独的时钟信号
n 内同步：数据与时钟信号一同发送

面向字符同步（IBM 的二进制同步规程 BSC）

面向位同步（HDLC 和 IBM 的同步数据链路控制规程 SDLC）

l 异步（发送接收使用各自的时钟）
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。
通信方向

单工，半双工，全工。
校验方式

l 奇偶校验
n 奇校验 包含校验位，累计的1为偶数个
n 偶校验 包含校验位，累计的1为奇数个
l CRC校验
l 累加和校验
传输速率（波特率与比特率）

比特率是每秒钟传输二进制代码的位数， 单位是： 位／秒（ bps）。 如每秒钟传送 240 个字符，而每个字符格式包含10 位(1 个起始位、 1 个停止位、 8 个数据位)，这时的比特率为10 位×240 个/秒 = 2 400 bps    bit/s
参考文档 关于波特率与比特率的概念
传输速率应该用比特率。
比特率 =  波特率 X  单个调制对应的二进制位数。


接口通信

RS232（全双工）

机械特性：阳头为计算机端




电气特性：


RS-422A （全双工）

与RS232区别是收发双方的信号地不再共用。 另外， 每个方向用于传输数据的是
两条平衡导线。
所谓“ 平衡”， 是指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，另一条线就为逻辑“ 0”， 比采用单端不平衡驱动对电压的放大倍数大一倍。 驱动器输出允许范围是 ±2～±6V。
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。 若传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放大器的作用，可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-485 （半双工）

点对多（最多32）。差模信号。


抗干扰以及电阻匹配

参阅 WIZ_ RS232 RS485 电气特性与抗干扰设计

8051串口通信

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)通用异步收发器
工作方式

l 方式0,   8位移位寄存器，同步通信，一般配合移位器件或其他器件使用。
l 方式1,   8位异步全双工，可变比特率。
l 方式2,   9位异步，全双工。固定比特率。可使用奇偶校验或多机通信。
l 方式3,   9位异步全双工，可变波特率。可使用奇偶校验或多机通信。


内部实现简单机制：参见文档

软件设计

数据（一字节）传输低位在前，高位在后。
串口接收的时候，接收器以所选择波特率的 16 倍速率（波特率因子）采样 RXD引脚电平。
在发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行移位输出；在接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测，

数据格式

（1）起始位：起始位必须是持续一个比特时间的逻辑0电平，标志传输一个字符的开始，接收方可用起始位使自己的接收时钟与发送方的数据同步。
（2）数据位：数据位紧跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。数据位的位数可以由通信双方共同约定，一般可以是5位、7位或8位，标准的ASCII码是0~127（7位），扩展的ASCII码是0~255（8位）。传输数据时先传送字符的低位，后传送字符的高位。
（3）奇偶校验位：奇偶校验位仅占一位，用于进行奇校验或偶校验，奇偶检验位不是必须有的。如果是奇校验，需要保证传输的数据总共有奇数个逻辑高位；如果是偶校验，需要保证传输的数据总共有偶数个逻辑高位。由此可见，奇偶校验位仅是对数据进行简单的置逻辑高位或逻辑低位，不会对数据进行实质的判断，这样做的好处是接收设备能够知道一个位的状态，有可能判断是否有噪声干扰了通信以及传输的数据是否同步。
（4）停止位：停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由软件设定。它一定是逻辑1电平，标志着传输一个字符的结束。
（5）空闲位：空闲位是指从一个字符的停止位结束到下一个字符的起始位开始，表示线路处于空闲状态，必须由高电平来填充。
异步通信的数据发送过程

清楚了异步通信的数据格式之后，就可以按照指定的数据格式发送数据了，发送数据的具体步骤如下：
（1）初始化后或者无需发送数据，发送端输出逻辑1，可以有任意数量的空闲位。
（2）当需要发送数据时，发送端首先输出逻辑0，作为起始位。
（3）接着就可以开始输出数据位了，发送端首先输出数据的最低位D0，然后是D1，  最后是数据的最高位。
（4）如果设有奇偶检验位，发送端输出检验位。
（5）最后，发送端输出停止位（逻辑1）。
（6）如果没有信息需要发送，发送端输出逻辑1（空闲位），如果有信息需要发送，则  转入步骤（2）。
异步通信的数据接收过程

在异步通信中，接收端以接收时钟和波特率因子决定每一位的时间长度。下面以波特率因子等于16（接收时钟每16个时钟周期使接收移位寄存器移位一次）为例来说明。
（1）开始通信，信号线为空闲（逻辑1），当检测到由1到0的跳变时，开始对接收时   钟计数。
（2）当计到8个时钟的时候，对输入信号进行检测，若仍然为低电平，则确认这是起   始位，而不是干扰信号。
（3）接收端检测到起始位后，隔16个接收时钟对输入信号检测一次，把对应的值作为   D0位数据。
（4）再隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为D1位数据，直到全   部数据位都输入。
（5）检验奇偶检验位。
（6）接收到规定的数据位个数和校验位之后，通信接口电路希望收到停止位（逻辑1），  若此时未收到逻辑1，说明出现了错误，在状态寄存器中置“帧错误”标志；若没  有错误，对全部数据位进行奇偶校验，无校验错时，把数据位从移位寄存器中取出  送至数据输入寄存器，若校验错，在状态寄存器中置“奇偶错”标志。
（7）本帧信息全部接收完，把线路上出现的高电平作为空闲位。
（8）当信号再次变为低时，开始进入下一帧的检测。
几个概念

（1）发送时钟：发送数据时，首先将要发送的数据送入移位寄存器，然后在发送时钟   的控制下，将该并行数据逐位移位输出。
（2）接收时钟：在接收串行数据时，接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位   检测，并将其移入接收器的移位寄存器中，最后组成并行数据输出。
（3）波特率因子：波特率因子是指发送或接收1个数据位所需要的时钟脉冲个数。在  同步传送方式，必须取n＝1，即接收/发送时钟的频率等于收/发波特率。在异步传  送方式，n＝1,16,64,即可以选择接收/发送时钟频率是波特率的1,16,64 倍。因 此  可由要求的传送波特率及所选择的倍数n 来确定接收/发送时钟的频率。

波特率误差分析

理论上一个字节发送或接收中BIT累加误差不能超过50%，传送9位数据格式+开始,停止位总共是11位。11*4%=48%约等于50%,实际上一般2%以内可以比较可靠通信（考虑对方误差）。
由于是异步通信，异步的波特率误差不会产生累积效应的。所以只要能保证一个字符的传送没有问题即可，反正都是先起始位，再数据位，最后是停止位。
“
串口波特率高输出容易误码
单片机以波特率16倍的速度对串口信号采样 当发现启始信号以后与外部同步 每个信号位采样16次 其中选择中间三位(7、8、9)的值做此传输位值 这三个位的值如果不同 也要3选2 选2位一致的电平值为信号值
采样3次，那么每一位中间t/2 已及前后各一次吧。那么当原本中间的这次采样偏差超过t/2 就必然有2次采样落到相邻的位上。落到相邻的2次采样结果必然一样
比如 A发 ， B收 。 假设发送一位的时间是t .
B在接收时要不断采样，发现起始位后将试图以起始位的中点时刻开始每隔t时间取值一次。
假如A、B两者时钟精度一致，那么B取值时刻都在数据位的中点上，也就是每一位的t/2处。当A、B之间时钟有相对误差时，串口帧最后一位停止位时，B的采样时刻偏离这一位中点将达到最大值。但只要A、B之间最后累积偏差值 < t/2 时， B就不会采样到相邻的位，也就是不会出现错误。所以t值越大宽容度越高，也就是波特率越小越不容易出错
”当使用软件模拟的时候，需要注意。

误差来源有4：
n 串口时钟启动，停止的滞后。 T1
n 时钟发生器产生时钟的本身误差（1个机器周期）T2
n 晶振误差 T3
n 波特率发生器/定时器计算误差 T4

软件模拟串口通信（参考波特率因子）





通信笔记@Lyt.pdf (948.69 KB )