代码收藏家技术教程 2023-01-19

《深入浅出：串口通信的基本原理与实现》

串口通信

串口通信是一种串行异步通信，通信双方以字符帧作为数据传输单位，字符帧按位依次传输，每个位占固定的时间长度。两个字符帧之间的传输时间间隔可以是任意的，即传输完一个字符帧之后，可以间隔任意时间再传输下一个字符帧。

1. 字符帧

字符帧由四个部分构成，分别是起始位、数据位、校验位以及停止位。起始位占1位，为逻辑0。数据位占5 ~ 8位，可配置。校验位占1位，可配置为奇校验、偶校验、无校验；配置为无校验时字符帧不包含校验位；配置为奇校验时，数据位中逻辑1的个数为奇数时，校验位的值为逻辑0，否则为逻辑1；配置为偶校验时，数据位中逻辑1的个数为偶数时，校验位的值为逻辑0，否则为逻辑1。停止位占1/1.5/2位，可配置，停止位的值为逻辑1。常用的字符帧格式如下图1.1所示，1位起始位、8位数据位、1位校验位、1位停止位。

图1.1 字符帧格式

2. 波特率

字符帧是按位依次传输，波特率即传输字符帧时的位速率，单位为bit/s。通信双方要使用相同的波特率，常用的波特率如9600、115200。

3. UART

UART是通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）的简称，它是设备实现串口通信的核心部件。如图1.3所示，UART由发送器、接收器、波特率发生器组成，发送器由发送保持寄存器、发送移位寄存器、控制逻辑构成，接收器由接收保持寄存器、接收移位寄存器、控制逻辑构成。发送数据时，应用程序将字节数据写入发送保持寄存器，发送移位寄存器每次向右移动一位，将数据一位一位发送出去。接收数据时，每接收一位数据后，接收移位寄存器向左移动一位，直到接收一个字节数据为止，应用程序通过读取接收保持寄存器来获取接收的字节数据。波特率发生器用于产生接收和发送数据时所使用的波特率。

图3.1 UART结构框图

8051、STM32等MCU芯片的内部都集成了UART，两个MCU进行串口通信时，可将一个MCU的TX、RX引脚分别与另一个MCU的RX、TX引脚相连，如图3.2所示。

图 3.2 两个MCU进行串口通信时的硬件连接

UART进行串口通信使用TTL电平。5V工作电压的MCU，使用0 ~ 0.5V表示逻辑0，2.5V ~ 5V表示逻辑1；3.3V工作电压的MCU，使用0 ~ 0.5V表示逻辑0，2.5V ~ 3.3V表示逻辑1。5V的MUC不能与3.3V的MCU直接连接。

4. RS232标准

RS232标准使用+5 V ～ +15 V表示逻辑0，-5V ～ -15 V表示逻辑1。相比TTL电平，RS232电平提高了串口通信的抗干扰能力，增大了串口通信的距离。台式PC一般都带有RS232标准接口，MCU按RS232标准进行串口通信时，需加max232电平转换芯片，如图4.1所示。

图4.1 MCU与PC进行串口通信时的硬件连接

5. RS485标准

RS485标准使用差分电平表示逻辑0或1，当A与B的电压差为+2v ~ +6v 时表示逻辑1，当A与B的电压差为-2v ~ -6v时表示逻辑0。RS485为半双工通信，即通信节点不能同时进行数据的接收和发送。相比RS232电平，RS485电平使串口通信的抗干扰能力更强，通信距离更远。MCU按RS485标准进行串口通信时，需加max485电平转换芯片，如图5.1所示。

图5.1 两个MCU按485标准进行串口通信时的硬件连接

RS232只能进行点对点通信，RS485总线可以挂接多个通信节点实现联网功能，总线结构如图5.2所示。RS485总线通常采用主从通信方式，总线上只有一台主机，一台或多台从机，通信总是由主机发起，从机没有收到来自主机的请求时不会发送数据，从机之间不能相互通信。可以自定义主从通信协议或使用现有的协议，如Modbus。