什么是串行通信

什么是串行通信目錄一、串行通信簡(jiǎn)介二、串行通信工作特點(diǎn)三、串行通信協(xié)議一、串行通信簡(jiǎn)介串行通信：數(shù)據(jù)流以串行的方式在一條信道上一位接一位地進(jìn)行傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)了一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。通信過程中只需要少數(shù)的幾條數(shù)據(jù)線就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間信息的交換，特別適用于計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間、其他外部設(shè)備之間的遠(yuǎn)距離通信。在工業(yè)系統(tǒng)中通常采用串行通信實(shí)現(xiàn)PC與PLC之間的數(shù)據(jù)交換，如圖1-1所示為PC與PLC之間的串行通信。圖1-1

PC與PLC之間的串行通信一、串行通信簡(jiǎn)介串行通信有以下兩種分類方式：按照時(shí)序同步方式可分為同步傳輸和異步傳輸；按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚝蜁r(shí)間可分為單工、半雙工和全雙工通信。1.1同步傳輸和異步傳輸同步傳輸：以數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，傳輸過程中發(fā)送端和接收端按照相同的時(shí)鐘節(jié)拍來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信號(hào)。通過一條時(shí)鐘傳輸線實(shí)現(xiàn)發(fā)送端對(duì)接收端的時(shí)鐘控制，從而達(dá)到收發(fā)雙方時(shí)鐘的嚴(yán)格同步。異步傳輸：以字符為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，通過起止位實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，收發(fā)雙方有各自的時(shí)鐘信號(hào)源，不帶有時(shí)鐘同步信號(hào)。一、串行通信簡(jiǎn)介1.2單工通信、半雙工通信和全雙工通信單工通信：信號(hào)只能單方向傳輸。發(fā)送方只能發(fā)送不能接收，接收方只能接收不能發(fā)送，只有一條數(shù)據(jù)線用來傳輸信號(hào)。例如遙控、廣播等。單工通信信息傳輸模型如圖1-2所示。圖1-2單工通信信息傳輸模型一、串行通信簡(jiǎn)介半雙工通信：信號(hào)可以在兩個(gè)方向上交替?zhèn)鬏?，雙方不能同時(shí)發(fā)送信號(hào)，只有一條數(shù)據(jù)線用來傳輸信號(hào)，要求通訊雙方均有接收器和發(fā)送器。例如對(duì)講機(jī)、傳呼機(jī)等。半雙工通信信息傳輸模型如圖1-3所示。圖1-3半雙工通信信息傳輸模型一、串行通信簡(jiǎn)介全雙工通信：信號(hào)可以同時(shí)在兩個(gè)方向上進(jìn)行傳輸，兩個(gè)方向可以同時(shí)收發(fā)信號(hào)。這種通信方式要求通訊雙方均有接收器和發(fā)送器，同時(shí)需要兩條數(shù)據(jù)線來傳送信號(hào)，例如電話。全雙工通信信息傳輸模型如圖1-4所示。圖1-4全雙工通信信息傳輸模型二、串行通信工作特點(diǎn)2.1串行通信數(shù)據(jù)傳輸過程在串行通信中，通信雙方通過硬件線路傳輸數(shù)據(jù)，硬接線中所傳送的數(shù)據(jù)在被發(fā)送和被處理之前，會(huì)存放在發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。即發(fā)送端設(shè)備將數(shù)據(jù)送到設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出緩沖區(qū)，之后經(jīng)由通信線路發(fā)送至目的設(shè)備。對(duì)于接收端，通信線路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會(huì)先被送到接收設(shè)備的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，之后由該設(shè)備的處理器對(duì)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并處理。圖2-1串行通信數(shù)據(jù)傳輸過程二、串行通信工作特點(diǎn)2.2串行通信數(shù)據(jù)流控制在串行通信的數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果收發(fā)雙方設(shè)備處理速度不同，會(huì)出現(xiàn)接收端數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)在某個(gè)時(shí)刻達(dá)到飽和的情況，這樣會(huì)導(dǎo)致后續(xù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)無法進(jìn)入緩沖區(qū)，造成數(shù)據(jù)漏失，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)流的傳輸進(jìn)行控制。串行通信數(shù)據(jù)流控制：控制數(shù)據(jù)流的傳輸進(jìn)程，使發(fā)送端根據(jù)接收端的信號(hào)來發(fā)送和停止發(fā)送數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)漏失。PC機(jī)中常用的有軟件流控制和硬件流控制兩種流控制方式。（1）軟件流控制：一般通過XON/XOFF協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流傳輸進(jìn)程的控制。接收端向發(fā)送端發(fā)出XOFF字符表示停止發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送XON字符表示請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。二、串行通信工作特點(diǎn)（2）硬件流控制：通過連接相應(yīng)的電纜線來實(shí)現(xiàn)接收端發(fā)送與停止發(fā)送信號(hào)的傳輸。常用的有RTS/CTS（請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送）流控制和DTR/DSR(數(shù)據(jù)終端就緒/數(shù)據(jù)設(shè)置就緒)流控制。使用時(shí)需要將RTS與CTS線，或?qū)TR與DSR線對(duì)應(yīng)連接。圖2-2串行通信硬件流控制二、串行通信工作特點(diǎn)2.3串行通信數(shù)據(jù)傳輸方式串行數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)通常采用調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM）兩種方式傳送數(shù)字信息。（1）調(diào)幅方式用不同的電平或電流來表示二進(jìn)制中的邏輯1和邏輯0，以此實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳輸，通常有表2-1所示五種標(biāo)準(zhǔn)。表2-1串行通信標(biāo)準(zhǔn)邏輯1邏輯0TTL標(biāo)準(zhǔn)+5V0VRS-232標(biāo)準(zhǔn)-(3～15)V之間的任意電平+(3～15)V之間的任意電平RS-485標(biāo)準(zhǔn)-(2～6)V之間的任意電平+(2～6)V之間的任意電平20mA電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)線路中存在20mA電流線路中不存在20mA電流60mA電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)線路中存在60mA電流線路中不存在60mA電流二、串行通信工作特點(diǎn)（2）調(diào)頻方式用兩種不同的頻率來表示二進(jìn)制中的邏輯1和邏輯0，通常使用曼徹斯特編碼標(biāo)準(zhǔn)和堪薩斯城標(biāo)準(zhǔn)。①曼徹斯特編碼標(biāo)準(zhǔn)：用電平變化或頻率變化來表示二進(jìn)制數(shù)的0和1。每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)新的二進(jìn)制位時(shí)，就會(huì)有一個(gè)電平跳變，并且每一個(gè)碼元都被再分成了兩個(gè)相等的間隔，有利于接收端提取位同步信號(hào)。這樣就相當(dāng)于是每一位信息中都帶有位同步時(shí)鐘，因此一次傳輸可以允許有很長(zhǎng)的數(shù)據(jù)位，通常用在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的同步通信。②堪薩斯城標(biāo)準(zhǔn)：它用頻率為1200Hz中的4個(gè)周期表示邏輯0，而用頻率為2400Hz中的8個(gè)周期表示邏輯1。二、串行通信工作特點(diǎn)2.4串行通信的錯(cuò)誤校驗(yàn)（1）奇偶校驗(yàn)通過增加冗余位使被傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的數(shù)位中“1”的個(gè)數(shù)保持是奇數(shù)或偶數(shù)來進(jìn)行校驗(yàn)。奇校驗(yàn)：數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。偶校驗(yàn)：數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)位之后的一位為奇偶校驗(yàn)位。接收字符時(shí)，對(duì)“1”的個(gè)數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)不一致，即奇校驗(yàn)時(shí)“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)或者偶校驗(yàn)時(shí)“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則說明傳輸數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)差錯(cuò)。二、串行通信工作特點(diǎn)（2）代碼和校驗(yàn)通過比較數(shù)據(jù)塊的“校驗(yàn)和”來進(jìn)行校驗(yàn)。發(fā)送方將所發(fā)數(shù)據(jù)塊求和（或各字節(jié)異或），產(chǎn)生一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)字符（校驗(yàn)和）附加到數(shù)據(jù)塊末尾。接收方接收數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)對(duì)除校驗(yàn)字節(jié)外的數(shù)據(jù)塊求和（或各字節(jié)異或），將所得到的結(jié)果與發(fā)送方的“校驗(yàn)和”進(jìn)行比較，相符則無差錯(cuò)，否則認(rèn)為傳送過程中出現(xiàn)了差錯(cuò)。（3）循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC校驗(yàn)）通過某種數(shù)學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)有效信息與校驗(yàn)位之間的循環(huán)校驗(yàn)。常用于對(duì)磁盤信息的傳輸、存儲(chǔ)區(qū)的完整性校驗(yàn)等。這種校驗(yàn)方法糾錯(cuò)能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于同步通信中。三、串行通信協(xié)議通信協(xié)議：雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所約定遵循的規(guī)則，也就是對(duì)數(shù)據(jù)傳送的通信接口、同步方式、通信格式、傳送速度、傳送介質(zhì)、傳送步驟、數(shù)據(jù)格式以及控制字符定義等一系列內(nèi)容所做的統(tǒng)一約定。常用的數(shù)據(jù)鏈路層串行通信協(xié)議有：I2C總線傳輸協(xié)議、SPI接口協(xié)議、UART異步串行通信協(xié)議。1、I2C總線傳輸協(xié)議：是一種半雙工同步串行總線通信協(xié)議，有兩根信號(hào)線（時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA），支持多主控模式，即每個(gè)站點(diǎn)都可以是主控點(diǎn)，但同一時(shí)刻只能有一個(gè)主控。三、串行通信協(xié)議2、SPI接口協(xié)議：是一種全雙工同步串行接口通信協(xié)議，有三根信號(hào)線（數(shù)據(jù)輸出線MOSI、數(shù)據(jù)輸入線MISO、時(shí)鐘線SCLK），當(dāng)具有多個(gè)從設(shè)備時(shí)，需要添加從設(shè)備選擇線（SS）。具有操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸效率高的特點(diǎn)，但只支持單個(gè)主機(jī)。3、UART通訊協(xié)議：是一種異步串行接口通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，工作于數(shù)據(jù)鏈路層，有兩根數(shù)據(jù)線（TX和RX）。沒有參考時(shí)鐘信號(hào)，因此通信雙方需要約定串口波特率、數(shù)據(jù)位寬、奇偶校驗(yàn)位、停止位等配置參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)通信雙方能夠按照相同的速率進(jìn)行通信。三、串行通信協(xié)議UART通訊協(xié)議包含了RS232、RS422和RS485等串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及總線規(guī)范。工作于物理層，對(duì)連接電纜、機(jī)械特性、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過程等做了規(guī)定。（1）RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)：是一種全雙工、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的異步串行接口標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電氣特性、邏輯電平以及各種信號(hào)線的功能做了規(guī)定，具體特性見表3-1。表3-1RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)特性備注通信方式全雙工、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信信號(hào)線兩條可雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線（TXD、RXD）、一條地線（GND）邏輯電平采用負(fù)邏輯，-15V～-3V表示邏輯1；+3V～+15V表示邏輯0特點(diǎn)距離越長(zhǎng)，抗干擾性能越差，速率下降越快，一般用于1-10m的近距離低速通信三、串行通信協(xié)議（2）RS-422接口標(biāo)準(zhǔn)：由RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來，是一種全雙工、點(diǎn)對(duì)多式通信、平衡式傳輸?shù)拇薪涌跇?biāo)準(zhǔn)，定義了接口電路的特性，具體特性見表3-2。表3-2RS-422接口標(biāo)準(zhǔn)特性備注通信方式全雙工、點(diǎn)對(duì)多通信；一個(gè)主設(shè)備允許連接多個(gè)從設(shè)備，最多可接十個(gè)，從設(shè)備之間不能通信信號(hào)線有單獨(dú)的發(fā)送通道和接收通道，采用兩對(duì)雙絞線傳輸方式平衡傳輸方式，即差分傳輸，用差分信號(hào)線兩線之間的電壓差來表示邏輯狀態(tài)邏輯電平-7V～-3V表示邏輯0；用+3V～+7V表示邏輯1特點(diǎn)最大傳輸距離為4000英尺，最大傳輸速率為10Mbps。傳輸距離越大，傳輸速率越低，當(dāng)傳輸速率在100Kbps以下時(shí)，才可以達(dá)到最大傳輸距離三、串行通信協(xié)議（3）RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)：是在RS-422基礎(chǔ)上制定的一種多點(diǎn)通信、平衡式傳輸?shù)拇薪涌跇?biāo)準(zhǔn)，具體特性見表3-3。表3-3RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)特性備注通信方式全雙工或半雙工（與接口芯片有關(guān)）、多點(diǎn)通信，一個(gè)網(wǎng)段最多可以連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)線一對(duì)屏蔽雙絞線傳輸