串口通信协议–UART、RS-232、RS-485、RS-422

近期学习了单片机及数电相关知识，故决定系统地学习一些通信协议。手边书本仅介绍了串口低速接口的相关协议。

串行通信
是指通过使用一条数据线（需要地线或控制线），将数据一位一位地一次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。
特点:抗干扰，节省数据线，但速度慢

串行通信时：数据一位一位地排列，按照时序信号控制发送与接收，发送端通过发送始终确定数据位的开始与结束，接收端需要在适当的时间间隔对数据流进行采样并解码。
分为：同步串行通信与异步串行通信

同步串行通信的信息帧由同步信号字符（SYNC）、数据字符和校验字符（CRC）组成。在传输数据时需要保持发送时钟与接收时钟的严格同步，但受限于不同厂家间的同步字符不统一，使用范围小。
异步串行通信有两个重要的指标：字符帧格式和波特率。数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传输，字符帧被逐帧发送、接收。发送和接收时钟源彼此独立。
字符帧格式为：一位起始位，八位数据位，一位奇偶校验位，一位停止位。
数据位、奇偶校验位在不同协议中存在不同类别。

串行通信按照工作模式可以分为单工、半双工、双工。
单工 — 发送端、接收端的角色固定；
半双工（RS-485） — 既可以发送也可以接收数据，在各端口存在收发切换电子开关，一般不可以同时发生；
全双工（PS-232）— 由两根可以同时发送和接收的传输线进行通信。

通信端口的初始化
明确编码、解码方式，设置波特率等操作。
波特率：每秒钟发送的位的个数。发送设备与接收设备的波特率不同，会导致解码错误。波特率为9600bps时发送每位的时间约为0.1ms。
数据位：通信中实际数据的位数。如何选择数据位，取决于想传输数据的位数。
停止位:用于表示数据帧的发送结束及设备矫正时钟同步，典型值是1位。停止位的位数越多，不同设备时钟同步的容忍度越大。
奇偶校验位:有三种检验模式，奇校验、偶校验和无校验。奇、偶校验的思想均不是统计数据位中0\1的个数，而是凑出奇、偶的规律。现大多选择无校验。

RS – （Recommend Standard）
RS-232标准（DB-9）

一般有9个引脚，通信范围在15m以内，属于单端信号传输，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，工作时需要保证电平在±（3-15）V以内，各信号线分别代表的含义是：
CD （Carried Detect）：载波侦听。表示调制解调器是否检测到了通信设备发出的载波信号。
RD （Receive Data）：接收数据。表示从外部设备接收数据的信号线。
TD （Transmit Data）：发送数据。表示将数据发送到外部设备的信号线。
DTR （Data Terminal Ready）：数据终端就绪。表示计算机已准备好接收或发送数据。
GND （Ground）：地线。连接电路的共同接地点。
DSR（Data Set Ready）：数据集就绪。表示调制解调器已经启动并可以进行通信。
RTS（Ready to Send）：准备好发送。表示计算机已准备好发送数据并要求外部设备做好接收准备。
CTS（Clear to Send）：清除发送。表示外部设备已经准备好接收来自计算机的数据
RI（Ring Indicator）：振铃指示。表示当电话线路上有来电时的信号。

RS-232的主要缺陷是：
①接口的信号电平较高，容易损坏接口电路的芯片，与TTL电路不相同；
②传输速率较低，波特率<115kbps；
③单端驱动，容易产生共模干扰，需要增加滤波器；
④传输距离有限。

RS-485标准
最高传输速率为10Mb/s，采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好，具有多机通信能力，传输距离达1200m（差分传输）
单端驱动与平衡驱动的区别详见度娘

RS-422标准
与RS-485几乎一样，区别在于：
RS-422有四根信号线，可以实现全双工模式；主机从机比可达32，从机之间不可通信，为点对多的双向通信；接收段需要接120Ω的终端电阻，发送端可以不接。

RS-232与RS-485的区别
唯一的区别是,RS-485有发送器的控制信号DE（Drive Enable）而RS-232不需要此信号。

RS-485不能同时接收和发送，需要切换收发。RS-232的发送信号TXD与接收信号RXD各用一根线，不会矛盾。
在进行RS-232 到RS-485的转化时，可以选择将握手信号RTS改造成DE控制信号，同时进行电平转换。在每次编写串行通信程序时，必须先置RTS有效，，当接收完信号后，置RTS无效，避免同一个总线上，多个主机同时处于发送状态的冲突。

UART串口
Universal Asynchronous Receiver\Transmitter,通用异步接发设备，用于支持多机通信，通过设置SCON寄存器的参数可实现。

多机通信需要多传输一个地址码（ID）。在主机传输数据前，每个从机处于待机接收的状态。主机发送数据流中包含地址码，每个从机的串口都会收到主机发出的地址码，程序会判断是否与自己的地址码相同，若相同则会开始启动程序。

在串行传输线上，每次数据流包含11位。第十位用于区分地址和数据。当单片机需要进行多机传输时，传输时包含TB8位，接收包含RB8位，当TB8=1时，表示正在传输一个地址码，含八位，可以连接256个从机。当TB8 =0 时，表示传输数据。接收端可以通过格式判断传输的地址还是数据。

在从机中，通常以串行中断的方式来对待进来的数据，若把 SCON 寄存器的 SM2 位设置成为 1时，即允许串行接口进行多从机的地址判断，在这个模式下，从机只在接收地址值 (其 RB8=1) 时才产生中断请求。

在串行中断的服务程序上，只要由 SBUF 内读回地址值，就做一个判断是否被调用。若为 YES 时则跳去执行程序设置的操作，若为 NO 时则不做任何操作，随即结束此中断服务程序并返回主程序，特定的从机先设置成 SM2，然后开始发送或者接收数据，而其他的从机并未启动传输。

在此瞬间仍然是一对一的通信，当主机在最初的发送地址阶段却是一对多的通信。

单片机的串口是 TTL 电平的，也就是 5 V，传输距离最远只有 5 m。如果想要远距离传输，还应将 TTL 电平转换为 RS-485 电平。

改日学ModBus协议。