串行通信接口论文.doc

串行通信接口摘要：串行通信是指将数据在信号通路上一位一位地顺序传送，每一位数据占据一个固定的时间长度。而串行接口就是完成串行通信传输任务的接口。串行通信速度不如并行通信，但是串行通信具有抗干扰能力强、接口相对简单、成本低等诸多优点，所以在远程计算机通信系统中，采用串行通信方式特别适合。本文主要从接口串行通信的历史及历史，串行通信的协议和标准来阐述串行通信接口。关键字：串行接口 标准 协议1、接口串行通信历史及特点串口的出现是在1980年前后，数据传输率是115kbps230kbps。串口出现的初期是为了实现连接计算机外设的目的，初期串口一般用来连接鼠标和外置Modem以及老式摄像头和写字板等设备。串口也可以应用于两台计算机（或设备）之间的互联及数据传输。由于串口（COM）不支持热插拔及传输速率较低，目前部分新主板和大部分便携电脑已开始取消该接口。目前串口多用于工控和测量设备以及部分通信设备中。 串行接口Serial Interface是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位的传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种 。2、串行通信的基本概念2.1 同步和异步通信方式串行通信有两种最基本的通信方式：同步串行通信方式和异步串行通信方式。同步串行通信方式是指在相同的数据传送速率下，发送端和接受端的通信频率保持严格同步。由于不需要使用起始位和停止位，可以提高数据的传输速率，但发送器和接受器的成本较高。异步串行通信是指发送端和接受端在相同的波特率下不需要严格地同步，允许有相对的时间时延，即收、发两端的频率偏差在10以内，就能保证正确实现通信。2.2 波特率波特率是指每秒内传送二进制数据的位数，以b/s和bps（位/秒）为单位。它是衡量串行数据传送速度快慢的重要指标和参数。计算机通信中常用的波特率是：110，300，600，1200，2400，4800，9600，19200bps。2.3 串行通信的检错和纠错 在串行通信过程中存在不同程度的噪声干扰，这些干扰有时会导致在传输过程中出现差错。因此在串行通信中对数据进行校验是非常重要的，也是衡量通信系统质量的重要指标。检错，就是如何发现数据传输过程中出现的错误，而纠错就是在发现错误后，如何采取措施纠正错误。 误码率 误码率是指数据经传输后发生错误的位数与总传输位数之比。在计算机通信中，一般要求误码率达到10-6数量级。误码率与通信过程中的线路质量、干扰、波特率等因素有关。 奇偶校验 奇偶校验是常用的一种检错方式。奇偶校验就是在发送数据位最后一位添加一位奇偶校验位（0或1），以保证数据位和奇偶校验位中1的总和为奇数或偶数。若采用偶校验，则应保证1的总数为偶数；若采用奇校验，则应保证1的总和为奇数。在接受数据时，CPU应检测数据位和奇偶校验位中1的总数是否符合奇偶校验规则，如果出现误码，则应转去执行相应的错误处理服务程序，进行后续纠错。 纠错 在基本通信规程中一般采用奇偶校验或方阵码检错，以重发方式进行纠错。在高级通信中一般采用循环冗余码（CRC）检错，以自动纠错方式来纠错。一般说来，附加的冗余位越多，检测、纠错能力就越强，但通信效率也就越低。3、 串行通信数据传送方式 在串行通信中，按照数据在通信线路上的传输方向，可以分为单工通信、半双工通信和全双工通信。 3.1. 单工通信 单工通信是指数据信号仅允许沿一个方向传输，即由一方发送数据，另一方接收数据，如图1所示。无线电广播就是单工通信方式。 3.2. 半双工通信 半双工通信是指通信双方都能接收或发送，但不能同时接收和发送的通信方式。在这种传送方式中，通信双方只能轮流地进行发送和接收，即 A 站发送，B 站接收；或 B 站发送，A 站接收，如图2所示。对讲机系统就是采用半双工通信方式的。 3.3. 全双工通信 全双工通信是指通信双方在同一时刻可以同时进行发送和接收数据，如图3所示。双工需要两条传输线。目前，在计算机网络通信系统中就是采用全双工通信的。 4、 串行通信协议 在串行通信中，为了正确地传输每一个字符和字符中的每一位信息，必须要保证发送端和接收端同步工作。根据数据的收发方式，串行通信协议可分为异步通信协议和同步通信协议两种。 4.1 异步通信协议 异步通信协议采用的数据格式是每个字符都按照一个独立的整体进行发送，字符的间隔时间可以任意变化，即每个字符作为独立的信息单位(帧) ，可以随机地出现在数据流中。所谓“异步”，就是指通信时两个字符之间的间隔事先不能确定，也没有严格的定时要求。 异步通信协议规定的传输格式由1 位起始位、58 位数据位、1 位奇偶校验位、1 2位停止位和若干个空闲位等组成，如图4所示。其中，起始位是表示字符的开始，通知接收方开始接收数据；停止位是表示字符传输的结束。 在串行通信中，传输速率是指单位时间内传送的二进制数据的位数，也称波特率，单位是位/ 秒(b/s ，也称bps) 。常用的波特率有110、300、600、1200 、2400、4800 、9600、19200 、38400 等。字符速率是指每秒钟传送的字符数，它与波特率是两个相关但表达的意义不相同的概念。例如，若异步通信的数据格式由1 位起始位、8 位数据位、1 位奇偶校验位、2 位停止位组成，波特率为 2400b/s，则每秒钟能够最多传送 2400(1 8 1 2) 200 个字符。 采用异步通信格式的优点是，控制简单，不需收发双方时钟频率保持完全一致，可以有偏差，纠错方便。其缺点是一旦传输出错，则需要重发，传输效率低，信息冗余大。 4.2 同步通信协议 在异步通信中，每传送一个字符，需要增加大约20% 的附加信息位，即用起始位和停止位作为每个字符的开始和结束标志，占用了一些时间，降低了传输效率。因此在大批量数据传送时，为了提高速度，就要设法去掉这些标志，而采用同步传输。 在同步传输时，信息以数据块( 由多个字符组成) 为单位进行传送，不仅字符内部位与位之间是同步的，而且字符之间的传送也是同步的，因此，收发双方对时钟同步要求严格，所以设备也比较复杂，一般只用于需要高速大容量的通信场合。同步通信协议主要分为两种：一种是面向字符的同步通信协议，它的特点是把每个帧看作由若干个字符组成的数据块，并规定了一些特殊字符作为同步字符以及传输过程的控制信息；另一种是面向比特的同步通信协议，它的特点是把数据及控制信息看作为比特流的组合，靠约定的比特组合模式来标志帧的开始和结束。常见的同步通信协议格式如图5所示，主要有单同步格式、双同步格式、SDLC 格式、HDLC 格式和外同步格式。 同步通信中需要注意的是，传输的数据都是成批连续的，两个字符之间不允许有空格，在没有字符要传输时要填上空字符，以此来保证数据传输的准确性。 采用同步通信协议的优点是传输效率高、传输速度快，适合要求快速、连续地传输大量数据的场合，但其技术比异步通信协议复杂、硬件开销大、成本高。因此，在一般应用中，采用异步通信的比较多。 5、串行通信的接口标准 为了实现不同厂商生产的计算机和各种外部设备之间进行串行通信，国际上制定了一些串行接口标准，常见的有 RS-232C 接口、RS-422A 接口、RS-485接口。目前最普遍使用的是美国电子工业协会颁布的RS-232C 接口标准。RS-232C 接口标准规定了机械、电气、功能等方面的参数。 5.1 RS-232C 的机械特性 RS-232C 是一种总线标准，可以保证硬件兼容。通常 RS-232C 接口有9 针和25针等规格。5.2 RS-232C 的电气特性 RS-232C 中采用负逻辑规定逻辑电平，逻辑“1”电平规定为3V15V ，逻辑“0 ”电平规定为3V15V 。在实际使用中，常采用12V 或15V 。由此可见，RS-232C标准中的信号电平标准与计算机中广泛采用的TTL 电平标准不相容，在使用时，必须有电平转换电路。 RS-232C 既是一种协议标准，又是一种电气标准，它采用单端、双极性电源供电电路。RS-232C 规定的传输速率有：50b/s、75b/s、110b/s 、150b/s 、300b/s 、600b/s 、1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、19.2Kb/s 、33.6Kb/s 、56Kb/s 等，能够适应不同传输速率的设备。在远距离通信时，一般要加MODEM(调制解调器)，当计算机与MODEM 连接时，只要将编号相同的引脚连接起来即可，如图7所示。在距离较近(小于 15m)的情况下进行通信时，不需要使用MODEM，两个计算机RS-232C接口可以直接互连，如图8所示。 图8(a) 给出的是最简单的互连方式，只需3 条线就可以实现相互之间的全双工通信，但是其许多功能(如流控)就没有了。 图8