RS-232C串行通信與單片機接口簡介

    在這一課里，我們一起來學(xué)習(xí)RS-232C串行通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及單片機和電腦的RS-232C串行通信接口技術(shù)簡介，為學(xué)習(xí)和開發(fā)單片機串口通信應(yīng)用系統(tǒng)打好基礎(chǔ)，希望大家在看完這篇文章后對串行通信有初步的認識。

    【通信基本概念】
    
    什么是通信？簡單地說，不同的系統(tǒng)經(jīng)由線路相互交換數(shù)據(jù)，就是通信。通信的主要目的是將數(shù)據(jù)從一端傳送到另一端，達到數(shù)據(jù)交換的目的。例如，從人與人之間的對話、計算機與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換到計算機與計算機間的數(shù)據(jù)傳送，乃至于廣播或衛(wèi)星都是通信的一種，一個完整的通信系統(tǒng)包括發(fā)送端、接收端、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的接口及傳送數(shù)據(jù)的實際信道。

    【通信的種類】
    
    按照通信的形式可以分為兩種，其中一種為并行傳輸?shù)耐ㄐ�，即并行通信（Parallel Communication），另一種則為串行通信（Serisl Communication）。這兩種通信方式的區(qū)別是，并行通信一次的傳輸數(shù)據(jù)量為8位（1個字節(jié)）；而串行通信則一次只能傳輸1位，傳輸1字節(jié)數(shù)據(jù)（8位）數(shù)據(jù)就需要8次才能傳出去，因此，它們兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸速度就相差8倍�？吹竭@里，估計有些朋友會問，既然并行通信的速度是串行通信的8倍，是不是串行通信就不好了？！其實不能這么認為，兩種通信方式各有特點，串行通信之所以存活了這么長時間，自然有它的長處。

串行通信一次只傳輸1位，相對來說，要處理的數(shù)據(jù)電壓只有一個，因此比較不容易漏失數(shù)據(jù)，通信時候再加上一些校驗防范措施后，串行通信的出錯就更不容易了，串行通信端口（Serisl Communication Port）在系統(tǒng)控制的范疇中一直占有極其重要的角色，不僅沒有因為時代的進步而被淘汰，反而失在規(guī)格上愈來愈向其極限挑戰(zhàn)，下面我們重點來介紹RS-232C串行通信。


    并行通信雖然可以在一次的數(shù)據(jù)傳輸中傳送8位，但是數(shù)據(jù)電壓在傳送的過程中，容易因為線路及干擾因素使得電壓準(zhǔn)電位發(fā)生變化（主要為電壓衰減和信號間相互干擾問題），因而使得傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤，通信距離越長，問題越明顯，因此并行通信主要用于傳輸距離較短的場合，如電腦主板的并口LPT1，主要和并行打印機通信。

    
    【RS-232串行通信】
    
    一、RS-232C標(biāo)準(zhǔn)介紹

    RS-232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）正式公布的，在異步串行通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線。RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美國電子工業(yè)協(xié)會，其中RS是Recommended Standard的縮寫，代表推贈標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識符，C代表RS-232的最新一次修改（1969年），在這之前，有過RS-232A、RS-232B標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程�，F(xiàn)在，計算機上的串行通信端口（RS-232）是標(biāo)準(zhǔn)配置端口，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，計算機上一般都有1～2個標(biāo)準(zhǔn)RS-232C串口，即通道COM1和COM2。下圖為計算機主板上的兩個RS-232通信端口圖片及端口屬性，我們一般可以從計算機后面查看到本機的通信端口。

		計算機的RS-232串行通信接口圖片 如左圖所示，我們可以從操作系統(tǒng)的設(shè)備管理器中查看電腦的通信端口屬性，進入計算機的：控制面板 -> 系統(tǒng) -> 硬件 -> 設(shè)備管理器 -> 端口，就可以看到自己電腦通信端口，在圖中顯示了這臺計算機有1個ECP打印機并行通信端口LPT1和2個RS-232串行通信端口COM1和COM2。只要顯示的端口名稱前面沒有黃色的驚嘆號的話，就表示這個端口是可以使用的。

    二、RS-232C電氣特性
    
    EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了明確規(guī)定。
    
    在TXD和RXD引腳上電平定義：邏輯1(MARK) ＝ -3V～-15V
                              邏輯0(SPACE) ＝ ＋3～＋15V
    
    在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD等控制線上電平定義：
    信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V
    信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V～-15V

    以上規(guī)定說明了RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”的傳輸?shù)碾娖綖?3V～-15V，邏輯“0”傳輸?shù)碾娖綖?3V～+15V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平為+3V～+15V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平為-3V～-15V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對值大于3V 時，電路可以有效地檢查出來；而介于-3～+3V之間的電壓即處于模糊區(qū)電位，此部分電壓將使得計算機無法準(zhǔn)確判斷傳輸信號的意義，可能會得到0，也可能會得到1，如此得到的結(jié)果是不可信的，在通信時候體現(xiàn)的是會出現(xiàn)大量誤碼，造成通信失敗。因此，實際工作時，應(yīng)保證傳輸?shù)碾娖皆凇?3～15)V 之間。

    三、RS-232C機械連接器及引腳定義
    
    目前，大部分計算機的RS-232C通信接口都使用了DB9連接器，如上面圖中所示，主板的接口連接器有9根針輸出（RS-232公頭），也有些比較舊的計算機使用DB25連接器輸出，下面我們來介紹DB9和DB25輸出接口的引腳定義。

    四、RS-232C的通信距離和速度
    
    RS-232規(guī)定最大的負載電容為2500pF，這個電容限制了傳輸距離和傳輸速率，由于RS-232C的發(fā)送器和接收器之間具有公共信號地（GND），屬于非平衡電壓型傳輸電路，不使用差分信號傳輸，因此不具備抗共模干擾的能力，共模噪聲會耦合到信號中，在不使用調(diào)制解調(diào)器（MODEM）時，RS-232能夠可靠進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笸ㄐ啪嚯x為15米，對于RS232遠程通信，必須通過調(diào)制解調(diào)器進行遠程通信連接。

    現(xiàn)在個人計算機所提供的串行端口的傳輸速度一般都可以達到115200bps甚至更高，標(biāo)準(zhǔn)串口能夠提供的傳輸速度主要有以下波特率：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps等，在儀器儀表或工業(yè)控制場合，9600bps是最常見的傳輸速度，在傳輸距離較近時，使用最高傳輸速度也是可以的。傳輸距離與傳輸速度的關(guān)系成反比，適當(dāng)?shù)亟档蛡鬏斔俣�，可以延長RS-232的傳輸距離，提高通信的穩(wěn)定性。

    五、RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片及電路
    
    RS-232C 規(guī)定的邏輯電平與一般微處理器、單片機的邏輯電平是不同的，例如：RS-232的邏輯“1”是以-3～-15V來表示的，而單片機的邏輯“1”是以+5V來表示的，兩者完全不同。因此，單片機系統(tǒng)要和電腦的RS-232接口進行通信，就必須把單片機的信號電平（TTL電平）轉(zhuǎn)換成計算機的RS-232C電平，或者把計算機的RS-232C電平轉(zhuǎn)換成單片機的TTL電平，通信時候必須對兩種電平進行轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的方法可以使用分立元件，也可以使用專用RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片。目前較為廣泛地使用專用電平轉(zhuǎn)換芯片，如MC1488、MC1489、MAX232等電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)EIA到TTL電平的轉(zhuǎn)換。下面來介紹MAXIM公司的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232及接口電路。

    如下面圖中所示，MAX232是單電源雙RS-232發(fā)送/接收芯片，采用單一 +5V電源供電，外接只需4個電容，便可以構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的RS-232通信接口，硬件接口簡單，所以被廣泛采用， 其主要特性如下：

    主要特點：
        1、符合所有的RS-232C技術(shù)規(guī)范
        2、只要單一 +5V電源供電
        3、片載電荷泵，具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生 +10V 和 -10V電壓V+、V-
        4、低功耗，典型供電電流5mA
        5、內(nèi)部集成2個RS-232C驅(qū)動器
        6、內(nèi)部集成2個RS-232C接收器

MAX232CPE 引腳結(jié)構(gòu)
MAX232芯片實物圖片		MAX232芯片引腳排列

    單片機和計算機RS-232接口電路如下圖所示，圖中的C1、C2、C3、C4是電荷泵升壓及電壓反轉(zhuǎn)部分電路，產(chǎn)生V+、V-電源供EIA電平轉(zhuǎn)換使用，C5是VCC對地去耦電容，其值為0.1UF，電容C1～C5安裝時必須盡量靠近MAX232芯片引腳，以提高抗干擾能力。

采用MAX232CPE 芯片的PC機與MCS-51單片機串行通信接口電路

采用分立元件的簡易RS-232C通信接口電路

S51增強型單片機實驗板與電腦串口實現(xiàn)RS232通信