串行接口是 RS-232詳細(xì)教程
出處:維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于:2023-02-03 16:10:05
RS-232 標(biāo)準(zhǔn)初由 EIA(電子工業(yè)協(xié)會(huì))于 1969 年發(fā)布,目的只有一個(gè):將終端(數(shù)據(jù)終端設(shè)備,DTE)互連到數(shù)據(jù)通信設(shè)備(數(shù)據(jù)通信設(shè)備,DCE),如調(diào)制解調(diào)器。當(dāng) RS-232 用于將終端連接到調(diào)制解調(diào)器時(shí),它只是連接兩個(gè)設(shè)備(調(diào)制解調(diào)器和終端)中的相應(yīng)引腳。原始標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 (RS-232C / CCITT V.24) 規(guī)定傳輸速度為 20 000 位/秒,電纜距離為 15 m / 50 英尺。
然而。RS-232 通常用于將終端互連到計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)互連到外圍設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)從未指定此類選項(xiàng),因此這種接口通常需要特別考慮(有時(shí)是特殊定制電纜,如“零調(diào)制解調(diào)器”或類似電纜)。一些應(yīng)用程序還使用具有更高數(shù)據(jù)速率的接口(例如,PC 支持高達(dá) 115200 bps)和/或更長(zhǎng)的電纜(長(zhǎng)達(dá) 100 米可以在較慢的距離上使用良好的電纜很好地工作)。RS232 定義了電氣和物理標(biāo)準(zhǔn)。RS232C 表示它使用 DB25 連接器(引腳分配圖)而不是 DB9 (TIA 574) 或 RJ45(RS232D 標(biāo)準(zhǔn)中提到的 8 位模塊化連接器)進(jìn)行接線。
RS-232 是一種可插拔信號(hào)接口,它使用 D 形 25 針連接器(某些實(shí)現(xiàn)也使用非標(biāo)準(zhǔn)連接器,如現(xiàn)代 PC 中的 9 針)。為了可靠運(yùn)行,RS-232 接線不要超過(guò) 50 英尺。很多時(shí)候,較長(zhǎng)的電纜將以有限的速度和有限的可靠性工作。初的 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了 19200 bps 的數(shù)據(jù)速度,但許多現(xiàn)代 PC 中的 RS-232 端口可以更高(115200 bps 是 PC 的典型限制)。
RS-232 的基本特征是信號(hào)作為單一電壓傳輸,參考 25 針連接器上的針腳 7(9 針連接器上的針腳 5)上的公共接地。輸出信號(hào)電平通常在+12v 和-12v 之間擺動(dòng)(標(biāo)準(zhǔn)指定+6..+15V 和-6..15V)。在 RS-232 中,任何高于 +3V 的東西都被認(rèn)為是邏輯 0,任何低于 -3V 的東西都被認(rèn)為是邏輯 1。+3v 和 -3v 之間的“死區(qū)”旨在吸收線路噪聲。在各種類似 RS-232 的定義中,這個(gè)死區(qū)可能會(huì)有所不同,但它們的設(shè)計(jì)始終使它們能夠與符合標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射器很好地配合使用(與不完全符合標(biāo)準(zhǔn)定義的發(fā)射器一起工作可能會(huì)有所不同)。例如,V.10 的定義有一個(gè)從 +0.3v 到 -0.3v 的盲區(qū)。許多為 RS-232 設(shè)計(jì)的接收器對(duì) 1 伏或更小的電壓差很敏感。實(shí)際上,通常設(shè)計(jì) RS-232 端口,以便端口在邏輯 1 和 0 之間做出決定的電平設(shè)置在 0V 和 +3V 之間的某個(gè)位置。這樣,沒(méi)有電源的設(shè)備(0V 信號(hào))不會(huì)導(dǎo)致不確定信號(hào)條件的問(wèn)題。典型的 PC 串口就是這樣構(gòu)建的。
關(guān)于一些非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的注意事項(xiàng):有一些“RS-232 兼容”設(shè)備在其輸出端使用降低的 +/-5V 輸出信號(hào)電平。那些不符合 RS-232 規(guī)范,但實(shí)際上可以使用短電纜運(yùn)行。周圍有一些 DIY 電子電路只為串行端口提供 +5V 和 0V,它們肯定不符合原始標(biāo)準(zhǔn),但實(shí)際上可以使用帶有短電纜的典型 PC 串行端口。在實(shí)踐中,“RS-232 兼容”似乎意味著產(chǎn)品制造商沒(méi)有任何辦法使該設(shè)備無(wú)法與符合 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備一起使用。有時(shí),當(dāng)您將兩個(gè)“兼容 RS-232”的設(shè)備連接在一起時(shí),
RS-232 接口中的數(shù)據(jù)分別在引腳 2 和引腳 3 上發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)集就緒 (DSR) 是來(lái)自數(shù)據(jù)集(即調(diào)制解調(diào)器或 DSU/CSU)的指示。類似地,DTR 向數(shù)據(jù)集指示 DTE 處于打開(kāi)狀態(tài)。數(shù)據(jù)載波檢測(cè) (DCD) 指示傳輸數(shù)據(jù)的載波已開(kāi)啟。引腳 4 和 5 承載 RTS 和 CTS 信號(hào)。在大多數(shù)情況下,RTS 和 CTS 在整個(gè)通信會(huì)話中一直處于開(kāi)啟狀態(tài)。然而,當(dāng) DTE 連接到多點(diǎn)線路時(shí),RTS 用于打開(kāi)和關(guān)閉調(diào)制解調(diào)器上的載波。在多點(diǎn)線路上,必須同時(shí)只有一個(gè)站點(diǎn)在傳輸。當(dāng)一個(gè)站想要傳輸時(shí),它會(huì)提高 RTS。調(diào)制解調(diào)器打開(kāi)載波,通常等待幾毫秒以使載波穩(wěn)定,然后提高 CTS。DTE 在看到 CTS 啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行傳輸。
25 針 RS-232 連接器還具有初為時(shí)鐘線定義的針腳。時(shí)鐘信號(hào)僅用于同步通信。調(diào)制解調(diào)器或 DSU 從數(shù)據(jù)流中提取時(shí)鐘,并向 DTE 提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。請(qǐng)注意,發(fā)送和接收時(shí)鐘信號(hào)不必相同,甚至不必采用相同的波特率。今天的大多數(shù) RS-232 實(shí)現(xiàn)不支持同步通信(例如普通 PC RS-232 端口不實(shí)現(xiàn)同步通信)。
連接 RS-232 設(shè)備時(shí),請(qǐng)記住流量控制握手有三種可能性:無(wú)握手(無(wú))、硬件流量控制 (RTS/CTS) 和 Xon/Xoff(特殊流量控制字符)。
RS-232 的歷史很長(zhǎng)。在 1960 年代初期,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì),即今天的電子工業(yè)協(xié)會(huì) (EIA),為數(shù)據(jù)通信設(shè)備制定了通用接口標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí),數(shù)據(jù)通信被認(rèn)為是指位于中央的大型計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)終端之間的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)交換。這些設(shè)備通過(guò)電話語(yǔ)音線路連接,因此需要在兩端各安裝一個(gè)調(diào)制解調(diào)器來(lái)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。人們認(rèn)為需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備的互連,從而促進(jìn)大規(guī)模生產(chǎn)和競(jìng)爭(zhēng)的好處。基于這些想法,RS232 標(biāo)準(zhǔn)誕生了。它規(guī)定了信號(hào)電壓、信號(hào)時(shí)序、信號(hào)功能、信息交換協(xié)議和機(jī)械連接器。RS-232 規(guī)范在 1990 年代初更名為“EIA232 標(biāo)準(zhǔn)”。他們的標(biāo)準(zhǔn)仍然由 EIA/TIA 維護(hù)。歐洲也對(duì)這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟-前身為CCITT)在V.24中定義了信號(hào)屬性(名稱),在V.28中定義了電氣屬性。RS232 和 V.24(或 V.28)之間幾乎沒(méi)有實(shí)際區(qū)別。
大多數(shù)RS-232端口實(shí)現(xiàn)的是UART芯片。UART 是通用異步收發(fā)器的縮寫。通用異步接收發(fā)送器 (UART) 協(xié)議通常用于在設(shè)備之間發(fā)送低速數(shù)據(jù)。使用術(shù)語(yǔ)異步是因?yàn)闆](méi)有必要在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)發(fā)送時(shí)鐘信息。UART 鏈接通常為 38400 波特或更低,并且是基于字符的。因?yàn)榘l(fā)送器和接收器異步操作,所以不需要連接發(fā)送和接收時(shí)鐘。相反,接收器對(duì)傳入的數(shù)據(jù)流進(jìn)行過(guò)采樣(通常為 8、16 或 32 倍)并使用其中一些樣本來(lái)確定位值。傳統(tǒng)上,當(dāng) UART 移位寄存器在 RXD 引腳上接收傳入數(shù)據(jù)時(shí),使用 16 個(gè)樣本中的中間 3 個(gè)。該位的值由這些樣本中的大多數(shù)決定;如果都不一致,則打開(kāi)噪聲指示(可能是噪聲計(jì)數(shù)器)。當(dāng)一個(gè)完整的字符被輸入時(shí),接收移位寄存器的內(nèi)容在進(jìn)入接收緩沖區(qū)之前被傳輸?shù)浇邮?FIFO。UART 發(fā)送移位寄存器在 TXDx 上發(fā)送傳出數(shù)據(jù)。
如果發(fā)送器和接收器使用相同的參數(shù)(例如奇偶校驗(yàn)方案和字符長(zhǎng)度),則兩個(gè) UART 可以使用該系統(tǒng)進(jìn)行通信。不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),將發(fā)送連續(xù)的數(shù)據(jù)流(空閑狀態(tài))。由于起始位始終為零,因此接收器可以檢測(cè)到實(shí)際數(shù)據(jù)何時(shí)再次在線。使用異步字符的的協(xié)議是 RS-232 標(biāo)準(zhǔn),它指定了波特率、握手協(xié)議和機(jī)械/電氣細(xì)節(jié)。UART 模式寄存器中的控制位定義 UART 字符的長(zhǎng)度和格式。按以下順序接收位:
1. 起始位
2. 5 到 8 個(gè)數(shù)據(jù)位(LSB 在前)
3. 地址/數(shù)據(jù)位(可選)
4. 校驗(yàn)位(可選)
5.停止位
除了發(fā)送字符數(shù)據(jù)外,UART 還指定了一個(gè)全零中斷字符(零條件下的行比一個(gè)字符的長(zhǎng)度長(zhǎng)),通常用于標(biāo)記字符傳輸序列的結(jié)尾(某些協(xié)議可以使用此一些其他特殊用途).
所有標(biāo)準(zhǔn)都提供握手信號(hào),但有些系統(tǒng)只需要三根物理線:Tx 數(shù)據(jù)、Rx 數(shù)據(jù)和地線。多年來(lái)圍繞 UART 的異步字符幀建立了許多專有標(biāo)準(zhǔn),其中一些實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)配置,其中多個(gè)站,每個(gè)站都有一個(gè)特定的地址,可以出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上。
實(shí)際上每臺(tái)計(jì)算機(jī)都包含一個(gè) UART 來(lái)管理串行端口。UART 是一種用于串行通信的集成電路,包含一個(gè)發(fā)送器(并行到串行轉(zhuǎn)換器)和一個(gè)接收器(串行到并行轉(zhuǎn)換器),每個(gè)單獨(dú)計(jì)時(shí)。UART 的并行端通常連接到計(jì)算機(jī)的總線。當(dāng)計(jì)算機(jī)向 UART 的傳輸數(shù)據(jù)寄存器 (TDR) 寫入一個(gè)字節(jié)時(shí),UART 將開(kāi)始在串行線上傳輸它。UART 的狀態(tài)寄存器包含一個(gè)標(biāo)志位,計(jì)算機(jī)可以讀取該標(biāo)志位以查看 UART 是否準(zhǔn)備好傳輸另一個(gè)字節(jié)。另一個(gè)狀態(tài)寄存器位表示 UART 是否已從串行線路接收到一個(gè)字節(jié),在這種情況下,計(jì)算機(jī)應(yīng)從接收數(shù)據(jù)寄存器 (RDR) 中讀取它。如果在讀取前一個(gè)字節(jié)之前接收到另一個(gè)字節(jié),UART 將通過(guò)另一種狀態(tài)發(fā)出“溢出”錯(cuò)誤信號(hào)。串行線路上的數(shù)據(jù)由 UART 根據(jù) UART 控制寄存器的設(shè)置進(jìn)行格式化。如果 UART 包含自己的時(shí)鐘電路或“波特率發(fā)生器”,這也可以確定發(fā)送和接收波特率。如果接收到格式不正確的數(shù)據(jù),UART 可能會(huì)發(fā)出“幀錯(cuò)誤”或“奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤”信號(hào)。通常,UART 中的時(shí)鐘將以波特率(每秒比特?cái)?shù))的 16 倍運(yùn)行,以允許接收器進(jìn)行中心采樣 - 即在其分配的時(shí)間段的中間讀取每個(gè)比特。這使得 UART 更能容忍輸入數(shù)據(jù)的時(shí)鐘速率(“抖動(dòng)”)的變化。80 年代后期 UART 的一個(gè)例子是 Intel 8450。它用于臺(tái) IBM PC 計(jì)算機(jī)。在 90 年代,較新的 UART 是在片上數(shù)據(jù)緩沖空間開(kāi)發(fā)的。這允許更高的傳輸速度而不會(huì)丟失數(shù)據(jù),也不需要計(jì)算機(jī)如此頻繁地關(guān)注。例如,Intel 16550 有一個(gè) 16 字節(jié)的 FIFO。UART 與外界的串行連接通常通過(guò)單獨(dú)的線路驅(qū)動(dòng)器和線路接收器集成電路進(jìn)行,這些集成電路提供驅(qū)動(dòng)串行線路所需的電源和電壓,并提供一些線路噪聲保護(hù)。曾經(jīng) 1488 發(fā)射器和 1489 接收器是進(jìn)行這些轉(zhuǎn)換的常用 IC?,F(xiàn)在通常使用 MAX232 和許多類似的 IC,它們可以使用單個(gè) +5V 電源工作(從 +5V 內(nèi)部產(chǎn)生所需的更高電壓)。這允許更高的傳輸速度而不會(huì)丟失數(shù)據(jù),也不需要計(jì)算機(jī)如此頻繁地關(guān)注。例如,Intel 16550 有一個(gè) 16 字節(jié)的 FIFO。UART 與外界的串行連接通常通過(guò)單獨(dú)的線路驅(qū)動(dòng)器和線路接收器集成電路進(jìn)行,這些集成電路提供驅(qū)動(dòng)串行線路所需的電源和電壓,并提供一些線路噪聲保護(hù)。曾經(jīng) 1488 發(fā)射器和 1489 接收器是進(jìn)行這些轉(zhuǎn)換的常用 IC?,F(xiàn)在通常使用 MAX232 和許多類似的 IC,它們可以使用單個(gè) +5V 電源工作(從 +5V 內(nèi)部產(chǎn)生所需的更高電壓)。這允許更高的傳輸速度而不會(huì)丟失數(shù)據(jù),也不需要計(jì)算機(jī)如此頻繁地關(guān)注。例如,Intel 16550 有一個(gè) 16 字節(jié)的 FIFO。UART 與外界的串行連接通常通過(guò)單獨(dú)的線路驅(qū)動(dòng)器和線路接收器集成電路進(jìn)行,這些集成電路提供驅(qū)動(dòng)串行線路所需的電源和電壓,并提供一些線路噪聲保護(hù)。曾經(jīng) 1488 發(fā)射器和 1489 接收器是進(jìn)行這些轉(zhuǎn)換的常用 IC?,F(xiàn)在通常使用 MAX232 和許多類似的 IC,它們可以使用單個(gè) +5V 電源工作(從 +5V 內(nèi)部產(chǎn)生所需的更高電壓)。與外界的串行連接通常通過(guò)單獨(dú)的線路驅(qū)動(dòng)器和線路接收器集成電路進(jìn)行,它們提供驅(qū)動(dòng)串行線路所需的功率和電壓,并提供一些保護(hù)以防止線路上的噪聲。曾經(jīng) 1488 發(fā)射器和 1489 接收器是進(jìn)行這些轉(zhuǎn)換的常用 IC?,F(xiàn)在通常使用 MAX232 和許多類似的 IC,它們可以使用單個(gè) +5V 電源工作(從 +5V 內(nèi)部產(chǎn)生所需的更高電壓)。與外界的串行連接通常通過(guò)單獨(dú)的線路驅(qū)動(dòng)器和線路接收器集成電路進(jìn)行,它們提供驅(qū)動(dòng)串行線路所需的功率和電壓,并提供一些保護(hù)以防止線路上的噪聲。曾經(jīng),1488 發(fā)射器和 1489 接收器是進(jìn)行這些轉(zhuǎn)換的常用 IC?,F(xiàn)在通常使用 MAX232 和許多類似的 IC,它們可以使用單個(gè) +5V 電源工作(從 +5V 內(nèi)部產(chǎn)生所需的更高電壓)。
RS-232 作為電氣接口有一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)。首先,該接口預(yù)設(shè)了 DTE 和 DCE 之間的公共接地。這是一個(gè)合理的假設(shè),其中短電纜連接同一房間中的 DTE 和 DCE,但如果線路較長(zhǎng)且設(shè)備之間的連接可能位于不同的電氣總線上,則可能不正確。不同設(shè)備接地電位的巨大差異可能會(huì)導(dǎo)致通信錯(cuò)誤、設(shè)備損壞甚至電纜燒毀等各種情況。如果您需要在惡劣環(huán)境或遠(yuǎn)距離進(jìn)行可靠通信,則需要經(jīng)常使用 RS-232 信號(hào)光隔離器(可從工業(yè)電子供應(yīng)商處獲得)。
其次,單線上的信號(hào)不可能有效地屏蔽噪聲。通過(guò)屏蔽整條電纜可以減少外部噪聲的影響,但內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲仍然是一個(gè)問(wèn)題。隨著波特率和線路長(zhǎng)度的增加,電纜之間的電容效應(yīng)會(huì)引入嚴(yán)重的串?dāng)_,直到達(dá)到數(shù)據(jù)本身不可讀的程度??梢酝ㄟ^(guò)使用低電容電纜和控制信號(hào)中的轉(zhuǎn)換率來(lái)減少串?dāng)_(即,使信號(hào)更圓而不是方形,從而減少串?dāng)_)。RS-232 和類似接口的標(biāo)準(zhǔn)通常將 RS-232 限制為 20kbps 或更低,線路長(zhǎng)度為 15m(50 英尺)或更短。這些限制大多可以追溯到 20kbps 被認(rèn)為是非常高的線路速度、電纜很粗、電容很高的時(shí)代。然而,在實(shí)踐中,RS-232 遠(yuǎn)比 15m 線路上 20kbps 的傳統(tǒng)指定限制要強(qiáng)得多。通常您可以使用更長(zhǎng)的電纜或更高的速度而不會(huì)出現(xiàn)太多問(wèn)題。對(duì)于普通電纜,如果屏蔽和接地良好,電纜長(zhǎng)度的 15m 限制可以延長(zhǎng)到 30m 左右,如果電纜也是低電容電纜,則可以延長(zhǎng)到 100m 左右。有趣的是,大型機(jī)和中端計(jì)算機(jī)上的大多數(shù) RS-232 端口能夠提供比其額定 19.2kbps 更高的速度。通常這些“低速”端口將在 56kbps 及以上的速度下無(wú)錯(cuò)誤地運(yùn)行。PC 上的 RS-232 端口通常以 115kbps 的速度運(yùn)行。對(duì)于普通電纜,如果屏蔽和接地良好,電纜長(zhǎng)度的 15m 限制可以延長(zhǎng)到 30m 左右,如果電纜也是低電容電纜,則可以延長(zhǎng)到 100m 左右。有趣的是,大型機(jī)和中端計(jì)算機(jī)上的大多數(shù) RS-232 端口能夠提供比其額定 19.2kbps 更高的速度。通常這些“低速”端口將在 56kbps 及以上的速度下無(wú)錯(cuò)誤地運(yùn)行。PC 上的 RS-232 端口通常以 115kbps 的速度運(yùn)行。對(duì)于普通電纜,如果屏蔽和接地良好,電纜長(zhǎng)度的 15m 限制可以延長(zhǎng)到 30m 左右,如果電纜也是低電容電纜,則可以延長(zhǎng)到 100m 左右。有趣的是,大型機(jī)和中端計(jì)算機(jī)上的大多數(shù) RS-232 端口能夠提供比其額定 19.2kbps 更高的速度。通常這些“低速”端口將在 56kbps 及以上的速度下無(wú)錯(cuò)誤地運(yùn)行。PC 上的 RS-232 端口通常以 115kbps 的速度運(yùn)行。
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