串行通信基本概念
串行通信基础知识
串行通信基础知识本节简要概括了串行通信中的相关概念，为学习PC 机与MCU 的串行通信做准备。
1. 基本概念我们知道，“位”（bit ）是二进制数字的简称，是可以拥有两种状态的最小二进制值，分别用“0”和“1”表示。
在计算机中，通常一个信息单位用8位二进制表示，称为一个“字节”（byte ）。
串行通信的特点是：数据以字节为单位，按位的顺序从一条传输线上发送出去。
这里至少涉及到以下几个问题：第一，每个字节之间是如何区分的？第二，发送一位的持续时间是多少？第三，怎样知道传输是正确的？第四，可以传输多远？等等。
这些问题属于串行通信的基本概念。
串行通信分为异步通信与同步通信两种方式，本节主要给出异步串行通信的一些常用概念。
正确理解这些概念，对串行通信编程是有益的。
① 异步串行通信的格式在MCU 的英文芯片手册上，通常说SCI 采用的是NRZ 数据格式，英文全称是：“standard non-return-zero mark/space data format ”，可以译为：“标准不归零传号/空号数据格式”。
这是一个通信术语，“不归零”的最初含义是：用负电平表示一种二进制值，正电平表示另一种二进制值，不使用零电平。
“mark/space ”即“传号/空号”分别是表示两种状态的物理名称，逻辑名称记为“1/0”。
对学习嵌入式应用的读者而言，只要理解这种格式只有“1”、“0”两种逻辑值就可以了。
图3.3.1给出了8位数据、无校验情况的传送格式。
这种格式的空闲状态为“1”，发送器通过发送一个“0”表示一个字节传输的开始，随后是数据位（在MCU 中一般是8位或9位，可以包含校验位）。
最后，发送器发送1到2位的停止位，表示一个字节传送结束。
若继续发送下一字节，则重新发送开始位，开始一个新的字节传送。
若不发送新的字节，则维持“1”的状态，使发送数据线处于空闲。
从开始位到停止位结束的时间间隔称为一帧（frame ）。
所以，也称这种格式为帧格式。
串行通信总线
1.1串行通信的基本概念
1.2 信号的调制与解调
计算机的通信是要求传送数字信号，而在进行远程数 据通信时，通信线路往往是借用现存的公用电话网，但是， 电话网是为传输300～3400Hz间的音频模拟信号设计的， 这对二进制数据的传输不适合。如果让数字信号直接在传 输线上传送，高次谐波的衰减就会很厉害，从而使信号到 了接收端后将发生严重畸变和失真。即使用性能更高的通 信电缆(如粗、细75Ω同轴电缆等)传送，这种现象也不能 避免，只不过传输距离可以远一些而已。所以，在发送时 需将二进制信号调制成相应的音频信号，以适合在电话网 上的传输。在接收时，需要对音频信号解调还原成数字信 号。
1.2信号的调制与解调
采用调制器(modulator)把数字信号转换为模拟信号，送 到通信链路上去，而用解调器(demodulator)再把从通信链路 上收到的模拟信号转换数字信号。大多数情况下，通信是双 向的，调制器和解调器全在一个装置中，这就是调制解调器 Modem，如图10.3所示。可见调制器和解调器是在利用电话 网进行远程距离数据通信进所需的设备，因此把它叫做数据 通信设备DCE或数传机(dataset)。
1.1串行通信的基本概念
2.半双工方式(half duplex)
如图10.2(b)中所示，半双工方式下数据能从A站传送 到B站，也能从B站传送到A站，但是不能同时在两个方向 上传送，每次只能由一个站发送、另一个站接收。通信双 方可以通过软件控制的电子开关进行方向的切换，轮流地 进行发送和接收。一般不工作时，A和B方均处于接收方 式，以便随时响应对方的呼叫。目前多数终端和串行接口 都为半双工方式提供了换向能力，也为全双工方式提供了 两条独立的引脚。在实际使用时，一般并不需要通信双方 同时既发送又接收，像打印机这类的单向传送设备，半双 工甚至单工就能胜任，也无需倒向。
串行通信及串行扩展技术
传感器数据采集
01
串行通信接口可以连接各种模拟或数字传感器，实现数据的实
时采集和传输。
数据处理与存储
02
通过串行通信将采集到的数据传输到上位机或数据中心，进行
进一步的处理、分析和存储。
系统监控与控制
03
串行通信可用于实现远程监控和控制，提高数据采集系统的灵
活性和可维护性。
在远程监控系统中的应用
01
特点
传输线少，成本低，适用于远距 离通信，但传送速度较慢。
串行通信协议
异步通信协议
以字符为单位进行传输，字符间通过 特定的起始位和停止位进行同步。
同步通信协议
以数据块为单位进行传输，通过同步 字符或同步信号实现收发双方的时钟 同步。
串行通信接口标准
RS-232C接口标准
定义了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口标准，采用 负逻辑电平，最大传输距离约15米。
串行扩展工作原理
01
数据传输
在串行通信中，数据以位为单位进行传输。发送端将数据按位依次发送
到传输线上，接收端按位接收并组合成完整的数据。数据传输过程中需
要遵循特定的通信协议和数据格式。
02
同步与异步通信
串行通信可分为同步通信和异步通信两种方式。同步通信需要发送端和
接收端保持严格的时钟同步，而异步通信则通过特定的起始位和停止位
无线化发展趋势
无线通信技术的普
及
随着无线通信技术的不断发展， 串行通信逐渐实现无线化，使得 设备间的通信更加灵活方便。
低功耗无线通信技
术
针对低功耗设备的需求，发展出 低功耗无线通信技术，延长设备 的续航时间。
无线通信安全性增
串行通信
串行通信的基本概念1．串行通信与并行通信在微型计算机中，通信（数据交换）有两种方式：串行通信和并行通信。
串行通信——是指计算机与I/O设备之间仅通过一条传输线交换数据，数据的各位是按顺序依次一位接一位进行传送。
并行通信——是指计算机与I/O设备之间通过多条传输线交换数据，数据的各位同时进行传送。
应该理解所谓的并行和串行，仅是指I/O接口与I/O设备之间数据交换（通信）是并行或串行。
无论怎样CPU与I/O接口之间数据交换总是并行。
二者比较：串行通信的速度慢，但使用的传输设备成本低，可利用现有的通信手段和通信设备，适合于计算机的远程通信；并行通信的速度快，但使用的传输设备成本高，适合于近距离的数据传送。
2．异步串行方式的特点和字符格式（1）异步串行方式的特点所谓异步通信，是指数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的传送基本上是同步的。
异步串行通信的特点可以概括为：①以字符为单位传送信息。
②相邻两字符间的间隔是任意长。
③接收时钟和发送时钟只要相近就可以。
异步方式特点简单的说就是：字符间异步，字符内部各位同步。
（2）异步串行方式的数据格式（字符格式）异步串行通信的数据格式如图1所示，每个字符（每帧信息）由4个部分组成：①1位起始位，规定为低电0；②5～8位数据位，即要传送的有效信息；③1位奇偶校验位；④1～2位停止位，规定为高电平1。
图1 异步串行数据格式3．同步串行方式的特点和数据格式（1）同步串行方式的特点所谓同步通信，是指数据传送是以数据块（一组字符）为单位，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步。
同步串行通信的特点可以概括为：①以数据块为单位传送信息。
②在一个数据块（信息帧）内，字符与字符间无间隔。
③接收时钟与发送进钟严格同步。
（2）同步、串行方式的数据格式同步串行通信的数据格式如图2所示，每个数据块（信息帧）由3个部分组成：①2个同步字符作为一个数据块(信息帧)的起始标志；②n个连续传送的数据③2个字节循环冗余校验码(CRC)图2 同步串行数据格式4．波特率、波特率因子与位周期波特率——是指单位时间传输二进制数据的位数，其单位为位/秒（B/S）或波特。
串行通信的特点
USB
定义
USB（Universal Serial Bus）是一种通用的串行通信接口 标准，由美国国家标准化协会（USB Implementers Forum）制定。
传输速度
USB具有较高的数据传输速率，从最初的USB 1.0到最新的 USB 3.0，速度不断提升。
传输方式
USB采用差分（平衡）传输方式，通过一对传输线实现高 速数据传输。
定义
串行通信是一种数据通信方式， 通过一条传输线逐位传输数据。
传输距离远
由于信号在传输线上的衰减较 小，因此可以用于长距离的数 据传输。
可靠性高
由于信号在传输线上的干扰较 小，因此传输的可靠性较高。
与并行通信的区别
并行通信：并行通信是通过多条传输线 同时传输数据，数据在传输线上同时传 输。
并行通信的数据传输速率较快，但成本 较高，而串行通信的数据传输速率较慢 ，但成本较低。
机等。
RS-4
定义
RS-485是另一种标准的串行通 信接口，由美国电子工业协会
（EIA）制定。
传输方式
RS-485采用差分（平衡）传输 方式，通过一对传输线实现数 据的发送和接收。
传输距离
由于RS-485的信号幅度较大， 传输距离相对较长，通常在100 米以内。
应用场景
常用于多台设备之间的中短距 离通信，如楼宇自动化、智能
类型
校验位可以是奇校验、偶校验或无校验。
功能
校验位用于检测数据传输过程中可能出现的错误，提高数据传输 的可靠性。
停止位
01
02
03
停止位
在数据传输结束时发送停 止位，表示数据传输的结 束。
作用
用于同步接收器和发送器， 确保数据传输的正确结束。
串口工作原理
串口工作原理一、引言串口是计算机与外部设备之间进行数据传输的重要接口之一。
它广泛应用于各种领域，如通信、控制、仪器仪表等。
本文将详细介绍串口的工作原理。
二、串口的基本概念1. 串行通信串行通信是指在一个时刻只有一个位元（bit）被传输的通信方式。
与之相对的是并行通信，它可以同时传输多个位元。
2. 串口串口是计算机与外部设备之间进行数据传输的接口，它通过发送和接收数据来实现计算机与外部设备之间的通信。
3. 波特率波特率（Baud Rate）指每秒钟传送的码元（符号）数，它决定了数据传输速度。
常见的波特率有9600bps、115200bps等。
4. 数据位、停止位和校验位数据位指每个字符中包含的二进制位数，常用值为7或8；停止位指在每个字符后添加几个空闲位，常用值为1或2；校验位则用于检测数据传输过程中是否出现错误，常用值为奇校验、偶校验或无校验。
三、串口工作原理1. 发送端工作原理串口发送数据时，首先将数据转换为二进制形式，并将其存储在发送缓冲区中。
然后，串口控制器会读取发送缓冲区中的数据，并将其转换为电信号，通过串口线路传输到接收端。
在发送过程中，串口控制器会根据波特率、数据位、停止位和校验位等参数来生成相应的电信号，并将其送入串口线路。
具体来说，每个字符的传输包括起始位、数据位、可选的校验位和停止位。
2. 接收端工作原理当接收端检测到有信号输入时，它会将这些信号转换为数字形式，并存储在接收缓冲区中。
然后，计算机可以读取接收缓冲区中的数据并进行处理。
在接收过程中，串口控制器会根据波特率、数据位、停止位和校验位等参数来解析传输过来的电信号，并将其转换为二进制形式。
如果启用了校验功能，则还需要对接收到的数据进行校验以确保传输的准确性。
3. 数据流控制为了防止发送端和接收端之间出现速度不匹配导致的数据丢失或错误，通常需要使用数据流控制技术。
常见的数据流控制方式有硬件流控制和软件流控制。
硬件流控制是通过串口线路上的特殊信号来实现的，如RTS（请求发送）和CTS（清除发送）。
第七章 串行通信
同步方式 串行方式
异步方式
单工方式
半双工方式 全双工方式 多工方式
7.1.2 串行通信的通信标准
串行通信的通信标准主要是指通信的电气和硬件标准，常用的有 RS-232；RS-485/422等。
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RS-232标准 ♠ 电气特性：逻辑“1”=-3V～-15V；逻辑“0”=+3V～+15V。在与TTL 标准连接时必须进行电平转换，常用芯片有MC1488、MC1489及 MAX202～MAX232等。
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7.1.3 串行通信的通信方式
串行通信又可分为异步通信和同步通信。异步通信的接受器和发送 器使用各自的时钟，每次只传送一字节数据，允许时钟产生误差；同步 通信每次传送的数据量较大，要求精度高，因此接受器和发送器使用同 一时钟。 异步通讯 以字符为传送单位用起始位和停止位标识每个字符的开始和结束 字符间隔不固定，只需字符传送时同步。异步通讯数据常用一帧为单位， 一帧字符位数的规定：起始位，数据位，校验位和停止位，校验位紧跟 在数据位后，也可以省略。下图为省略校验位后一帧数据的示意图。
起始位 D 0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7 停止位
优点是硬件要求低，可靠性高，传送距离远，但速度较慢。
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同步通信 以一串字符为一个传送单位，字符间不加标识位，在一串字符开 始用同步字符标识，硬件要求高，通讯双方须严格同步。
【提示】：在单片机与外设进行数据通信时，多采用异步串行通信。
模式选择
多机通讯位 允许接收位 发送、接收第9位 发送、接收标志
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第二章 串行通讯
第2章 串行通讯
RS－422A与RS－232C不 兼容,双端平衡输出驱动, 双端差分接收,从而使其抑 制共模干扰的能力更强,传 输速率和传输距离比RS－ 423A更进一步。 RS－423A与RS－422A带 负载能力较强,一个发送器 可以带动10个接收器同时 接收。RS－423A与RS－ 422A的电路连接分别如图 5-8(a),(b)所示。
第10页 2012年6月11日星期一
第2章 串行通讯 1.总线描述
RS－232C标准定义了数据通信设备(DCE)与数据终 端设备(DTE)之间进行串行数据传输的接口信息,规 定了接口的电气信号和接插件的机械要求。RS— 232C对信号开关电平规定如下(负载3～7kΩ): 驱动器的输出电平为: 接收器的输入检测电平为: 逻辑“0”:+5～+15V 逻辑“0”:>+3V 逻辑“1”:-5～-15V 逻辑“1”:<-3V RS－232C采用负逻辑,噪声容限可达到2V。
第23页 2012年6月11日星期一
第2章 串行通讯
针对以上不足,EIA于1977年制定了新标准(RS—449), 目的在于支持较高的传输速率和较远的传输距离。 RS－449标准定义了RS－232C所没有的10种电路功 能,规定了37脚的连接器标准。RS－422A和RS－ 423A实际上只是RS－449标准的子集。 RS－423A与RS－232C兼容,单端输出驱动,双端差分 接收。正信号逻辑电平为+200mV～+6V,负信号逻 辑电平为-200mV～-6V。差分接收提高了总线的抗 干扰能力,从而在传输速率和传输距离上都优于RS－ 232C。
第4页
2012年6月11日星期一
第2章 串行通讯
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串行通信接口原理
串行通信接口原理
8251 的内部结构框图
8251 的内部结构框图
8251 的内部结构框图
串行通信数据位的检测
接收时钟 ：Tc 一个数据位传送周期：Td
Tc = Td / K fc=K×波特率 K：波特率因子（16，64）
8251 的外部引脚
8251 的外部引脚
8251 的外部引脚
数字信号：频带宽 电话网络：频带窄 要使数字信号在电话网络上传输，需要
进行信号变换—把数字信号转换为适合 在电话网络上传输的模拟信号（音频正 弦信号，也称载波信号）。
信号的调制和解调
调制：把数字信号→模拟信号 解调：把模拟信号→数字信号 调制解调器MODEM：实现调制与解调的设备
MODEM的三种调制方式
字符与字符之间、 字符内部各位（位与位之间） 都是同步传送的。 收发双方必须以同一时钟来控制数 据的发送和接收。
同步通信格式
以同步字符实现同步传送
一帧信息
串行通信的传送方向
单工
A
发送器
B
接收器
A 半双工 发送器/接收器
A 全双工 发送器/接收器
B
发送器/接收器
B
发送器/接收器
信号的调制与解调
远距离通信时需要通过普通电话网络 传输
串行通信基本概念
串行通信： ●每个时间单位仅传送一位信息； ●每个数据的各位依次传送。
优点： ●传输线少，成本低，传输距离远
串行通信的基本方式
——同步通信 异步通信
异步通信特点
以字符作为通信单位。 在通信的数据流中，
字符与字符之间的传送是异步的， （异步通信的“异步”就主要体现 在字符与字符之间的异步） 字符内部各位（位与位之间）同步 传送。
根据载波 Asin(t + )的三个参数：幅度、频率、
相位，产生常用的三种调制技术：
ASK (又称为调幅) 用载波信号的不同幅度代表‘1’和‘0’
FSK (又称为调频) 最常用 用载波信号的不同频率代表‘1’和‘0’
PSK (又称为调相) 用载波信号的相位变化代表‘1’和‘0’(有
变化为’1’)
串行通信接口原理
异步通信特点
如何使收发双方在随机传送的字符与字 符之间实现同步？ ——在字符的首尾分别设置起始位和停止 位，以起始位和停止位的结合实现异步 字符的同步（只需在一个字符期间保 持）。
异步通信特点
起始位标志每个字符的开始，
通知接收器开始接收一个字符， 停止位标志每个字
以便和发送器取得同步。
符的结束。
8251 的外部引脚
8251 的外部引脚
8251 的外部引脚
8251A初始化流程
Hale Waihona Puke 8251A的方式指令8251A的命令指令
8251A的状态字
收发双方不必使用同一个时钟，只需使用两个频
率相同的本地局部时钟，使收发双方在一个字符
内保持同步，即可正确可靠地传送。
异步通信协议
1、异步通信格式
第n个字符（一帧信息）
起
始
位
数据位
校停 验止 位位
空闲位
第n＋1 个字符
异步通信时字符是一帧一帧传送的， 每帧字符的传送以起始位为基准实现同步。
字符的连续传送
字符的非连续传送
异步通信协议
2、波特率
表征通信过程数据传输速率 每秒传输的二进制位数 单位：b/S（bps、波特） 传输每一位的时间
Td＝1/ 波特率
异步通信一般要求收发双方有相 同的波特率。
异步通信的错误检测
接收方可检测到三类错误
奇偶检验错 溢出错 帧格式错
同步通信特点
以数据块（字符序列）作为通信单位。 在通信的数据流中，