串口通信的基本原理是什么？

1. 串口通訊

串口通訊(Serial Communication)，是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過數(shù)據(jù)信號(hào)線、地線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。

串口是一種接口標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)，沒有規(guī)定接口插件電纜以及使用的協(xié)議。

串口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來劃分，包括RS-232-C、RS-422、RS485等。

2.串口通訊的數(shù)據(jù)格式

一個(gè)字符一個(gè)字符地傳輸，每個(gè)字符一位一位地傳輸，并且傳輸一個(gè)字符時(shí)，總是以“起始位”開始，以“停止位”結(jié)束，字符之間沒有固定的時(shí)間間隔要求。

每一個(gè)字符的前面都有一位起始位(低電平)，字符本身由7位數(shù)據(jù)位組成，接著字符后面是一位校驗(yàn)位(檢驗(yàn)位可以是奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)位)，最后是一位或一位半或二位停止位，停止位后面是不定長的空閑位，停止位和空閑位都規(guī)定為高電平。實(shí)際傳輸時(shí)每一位的信號(hào)寬度與波特率有關(guān)，波特率越高，寬度越小，在進(jìn)行傳輸之前，雙方一定要使用同一個(gè)波特率設(shè)置。

3.通訊方式

單工模式(Simplex Communication)的數(shù)據(jù)傳輸是單向的。通信雙方中，一方固定為發(fā)送端，一方則固定為接收端。信息只能沿一個(gè)方向傳輸，使用一根傳輸線。

半雙工模式(Half Duplex)通信使用同一根傳輸線，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)又可以接收數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸，但是，在任何時(shí)刻只能由其中的一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)。因此半雙工模式既可以使用一條數(shù)據(jù)線，也可以使用兩條數(shù)據(jù)線。半雙工通信中每端需有一個(gè)收發(fā)切換電子開關(guān)，通過切換來決定數(shù)據(jù)向哪個(gè)方向傳輸。因?yàn)橛星袚Q，所以會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，信息傳輸效率低些。

全雙工模式(Full Duplex)通信允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸。因此，全雙工通信是兩個(gè)單工通信方式的結(jié)合，它要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨(dú)立的接收和發(fā)送能力。在全雙工模式中，每一端都有發(fā)送器和接收器，有兩條傳輸線，信息傳輸效率高。

顯然，在其它參數(shù)都一樣的情況下，全雙工比半雙工傳輸速度要快，效率要高。

4.偶校驗(yàn)與奇校驗(yàn)

在標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼中，其最高位(b7)用作奇偶校驗(yàn)位。所謂奇偶校驗(yàn)，是指在代碼傳送過程中用來檢驗(yàn)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤的一種方法，一般分奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)兩種。奇校驗(yàn)規(guī)定：正確的代碼一個(gè)字節(jié)中1的個(gè)數(shù)必須是奇數(shù)，若非奇數(shù)，則在最高位b7添1;偶校驗(yàn)規(guī)定：正確的代碼一個(gè)字節(jié)中1的個(gè)數(shù)必須是偶數(shù)，若非偶數(shù)，則在最高位b7添1。

5. 停止位

停止位是按長度來算的。串行異步通信從計(jì)時(shí)開始，以單位時(shí)間為間隔(一個(gè)單位時(shí)間就是波特率的倒數(shù))，依次接受所規(guī)定的數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位，并拼裝成一個(gè)字符的并行字節(jié);此后應(yīng)接收到規(guī)定長度的停止位“1”。所以說，停止位都是“1”，1.5是它的長度，即停止位的高電平保持1.5個(gè)單位時(shí)間長度。一般來講，停止位有1，1.5，2個(gè)單位時(shí)間三種長度。

6.波特率

波特率就是每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。

波特率的單位是每秒比特?cái)?shù)(bps)，常用的單位還有：每秒千比特?cái)?shù)Kbps，每秒兆比特?cái)?shù)Mbps。串口典型的傳輸波特率600bps，1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps。

PLC/PC與稱重儀表通訊時(shí)，最常用的波特率是9600bps，19200bps。PLC/PC或儀表與大屏幕通訊時(shí)，最常用的波特率是600bps。

7. 典型的串口通訊標(biāo)準(zhǔn)

EIA RS232(通常簡稱“RS232”): 1962年由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定。

EIA RS485(通常簡稱“RS485”): 1983年由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定。

8.RS232串口

RS232是計(jì)算機(jī)與通信工業(yè)應(yīng)用中最廣泛一種串行接口。它以全雙工方式工作，需要地線、發(fā)送線和接收線三條線。RS232只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式。

串口通信的基本原理是利用串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，通過單條線路按順序發(fā)送一個(gè)比特的信息。在串行通信中，數(shù)據(jù)傳輸方向是單一的，可以是單向或雙向，但需要在發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間建立通信協(xié)議，以便正確地傳輸和接收數(shù)據(jù)。

串行通信可以通過串行接口將計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備的信號(hào)傳輸?shù)搅硪慌_(tái)計(jì)算機(jī)或設(shè)備，也可以將其他設(shè)備的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或其他設(shè)備。串行通信的傳輸速率、校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)位數(shù)和停止位等參數(shù)需要預(yù)先設(shè)置，以確保傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

根據(jù)傳輸方式的不同，串行通信可以分為同步通信和異步通信兩種。同步通信使用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來同步數(shù)據(jù)傳輸，要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的時(shí)鐘頻率相同或相近，并且需要在發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間建立同步協(xié)議。異步通信則不需要時(shí)鐘信號(hào)來同步數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備可以在不同的時(shí)鐘頻率下工作，但需要在發(fā)送和接收端設(shè)置幀同步域，以便在接收端恢復(fù)字節(jié)邊界，并通過位數(shù)逐個(gè)地進(jìn)行幀的識(shí)別。

在實(shí)際應(yīng)用中，串口通信通常采用RS-232、RS-485、I2C等協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。串口通信協(xié)議通常包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位等，其中起始位用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包的開始，數(shù)據(jù)位用于傳輸實(shí)際的數(shù)據(jù)，校驗(yàn)位用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤，停止位用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包的結(jié)束。在串口通信過程中，發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須遵循相同的協(xié)議和設(shè)置，才能正確地傳輸和接收數(shù)據(jù)。

串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞较啾炔⑿袛?shù)據(jù)傳輸具有以下優(yōu)勢：

傳輸距離更長：由于串行通信只使用一條線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此可以在長距離上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，而并行通信由于線路的限制，其傳輸距離較短。

成本更低：串行通信使用的線路數(shù)量較少，因此可以減少硬件成本，并且可以節(jié)省空間，這對(duì)于一些應(yīng)用場景尤為重要。

可靠性更高：由于串行通信只使用一條線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此可以避免并行通信中存在的數(shù)據(jù)干擾問題，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?

更廣泛的應(yīng)用范圍：串行通信被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備之間的通信，如串行接口、USB、1394等。這些接口具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性，使得串行通信在計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間得到了廣泛的應(yīng)用。

可以支持多種傳輸協(xié)議：串行通信可以支持多種傳輸協(xié)議，如ASCII、二進(jìn)制、I2C、SPI等，這些協(xié)議可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景進(jìn)行選擇，使得串行通信具有更高的靈活性和可擴(kuò)展性。

串行通信的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

傳輸線路簡單，成本低：串行通信只需要一條傳輸線路，相比并行通信的多個(gè)線路，大大降低了硬件成本和線路復(fù)雜度。

易于實(shí)現(xiàn)：串行通信的實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)簡單，只需通過串口就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，因此可以方便地實(shí)現(xiàn)各種通信協(xié)議。

可擴(kuò)展性強(qiáng)：串行通信可以通過多條線路同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，使得其具有更強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以滿足各種不同應(yīng)用場景的需求。

長距離傳輸：串行通信可以在長距離上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，使得數(shù)據(jù)可以在更遠(yuǎn)的距離間傳遞，滿足不同設(shè)備間的通信需求。

可靠性高：由于串行通信只使用一條線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此可以避免并行通信中存在的數(shù)據(jù)干擾問題，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?

總之，串行通信的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在其傳輸線路簡單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、長距離傳輸以及可靠性高等方面，這些優(yōu)點(diǎn)使得串行通信在各種不同應(yīng)用場景中得到廣泛應(yīng)用。