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通信方式中常用的串口，你真的了解么？

创作时间:

作者:

@小白创作中心

通信方式中常用的串口，你真的了解么？

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/yinqiusheng/article/details/140226041

串口（Serial Port）是计算机与外部设备或其他计算机之间进行数据交换的一种通信接口。串行通信通过一条或几条信号线按顺序传输数据，具有接口简单、传输距离长等优点。串口在计算机历史中占据了重要位置，即便在今天，许多工业控制系统、嵌入式系统和实验室设备中仍广泛使用。

串口的基础知识

串口的定义和基本原理

串行接口是一种逐位传输数据的通信方式，通常由发送器、接收器和通信通道组成。数据在通信通道中以串行方式传输，即一位一位依次传输，而不是并行接口那样同时传输多个数据位。串行通信可以在更长的距离上保持较高的数据完整性，适合在较远距离上传输数据。

串口的历史和发展

串行通信技术起源于电报通信系统。随着电子技术的发展，计算机串口标准逐渐确立，最著名的是RS-232标准。20世纪80年代，RS-232广泛应用于个人计算机和外设之间的通信。尽管如今USB等新型接口逐渐取代了串口在一些应用中的地位，但串口因其稳定性和简单性，仍在许多领域中被广泛使用。

串口的常见应用场景

串口被广泛应用于各种场景，包括但不限于：

工业控制系统：如PLC（可编程逻辑控制器）与传感器、执行器之间的通信
嵌入式系统：如单片机与外围设备的通信
调试与监控：如通过串口调试助手进行系统调试
医疗设备：如心电图机等医疗仪器的数据传输

硬件介绍

串口接口和类型

串口接口的基本结构
串口接口通常包括数据发送线（TXD）、数据接收线（RXD）、地线（GND）以及其他控制线（如RTS、CTS等）。

常见的串口类型

TTL（Transistor-Transistor Logic）：常用于嵌入式系统和单片机，电压范围通常为0V和5V或3.3V。TTL电平信号直接由微控制器或数字电路产生，适用于短距离、低速率通信，常用于微控制器开发和调试，如Arduino与传感器之间的通信。
RS-232：最经典的串口标准，适用于短距离、低速率通信。典型电压范围为±12V，最大传输距离约为15米。RS-232采用不平衡传输方式，即单端传输，容易受到电磁干扰，适用于点对点通信，常用于计算机和外部设备之间的连接，如鼠标、调制解调器等。
RS-485：支持多点通信，适用于长距离、高速率通信。采用差分信号传输，抗干扰能力强。RS-485可以连接多达32个设备，通信距离可达1200米，常用于工业自动化和控制系统中。其典型应用包括PLC与传感器、执行器之间的数据通信。
RS-422：与RS-485类似，RS-422也采用差分信号传输，适用于长距离、高速率通信。RS-422支持点对多点通信，但仅限于一个发送器和最多10个接收器，典型传输距离为1200米。RS-422常用于工业自动化、楼宇自动化以及航空电子设备中。

串口通信的基本原理

串行通信和并行通信的区别
串行通信每次传输一位数据，硬件结构简单，适用于长距离通信；而并行通信每次传输多个数据位，速度较快但受限于距离和干扰。

数据传输方式

全双工（Full-Duplex）：数据可以同时双向传输，TXD和RXD独立工作。
半双工（Half-Duplex）：数据可以双向传输，但不能同时进行，常见于RS-485通信。

通信参数

波特率（Baud Rate）：每秒传输的符号数，常见波特率有9600、115200等。
数据位（Data Bits）：每个字符的长度，通常为8位。
停止位（Stop Bits）：表示字符结束，通常为1位或2位。
校验位（Parity Bit）：用于错误检测，可选奇校验、偶校验或无校验。

串口硬件组件

UART（通用异步收发传输器）
UART是实现串行通信的核心硬件模块，负责数据的串行化和反串行化。它将并行数据转换为串行数据进行传输，并在接收时将串行数据还原为并行数据。

其他相关硬件组件

电平转换芯片：用于不同电压等级的串口设备之间的通信，如MAX232用于TTL电平与RS-232电平之间的转换。RS-485或RS-422芯片将TTL电平转换为RS-485或RS-422电平

RTS和CTS信号

RTS（请求发送）和CTS（清除发送）信号用于硬件流控制，确保在数据传输过程中不会因缓冲区溢出而丢失数据。典型应用场景包括：

RTS/CTS 流控制：发送设备在发送数据前将RTS信号置高，接收设备准备好后将CTS信号置高，发送设备接收到CTS信号后开始发送数据。
应用场景：高速数据传输、多任务并发系统中常用RTS/CTS流控制提高通信可靠性。

软件介绍

串口通信协议

常见的串口通信协议

UART协议：用于串口通信的基础协议，属于串口最底层协议，定义了数据帧的结构，包括起始位、数据位、校验位和停止位。
Modbus：属于应用层协议，一种应用广泛的工业通信协议，支持RTU（串行）、ASCII（串行）和TCP（网络）模式。Modbus RTU在RS-485网络中尤为常见。Modbus因其标准化和广泛支持被广泛采用。

串口编程

不同操作系统下的串口编程

Windows平台

在Windows平台上，使用WinAPI进行串口编程。常用的函数包括CreateFile、ReadFile、WriteFile和CloseHandle。以下是一个简单的例子：

HANDLE hSerial;
hSerial = CreateFile("COM1", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, 0, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, 0);
if (hSerial == INVALID_HANDLE_VALUE) {
    // 错误处理
}
// 设置串口参数
DCB dcbSerialParams = {0};
dcbSerialParams.DCBlength = sizeof(dcbSerialParams);
GetCommState(hSerial, &dcbSerialParams);
dcbSerialParams.BaudRate = CBR_9600;
dcbSerialParams.ByteSize = 8;
dcbSerialParams.StopBits = ONESTOPBIT;
dcbSerialParams.Parity = NOPARITY;
SetCommState(hSerial, &dcbSerialParams);
// 读写数据
DWORD bytesRead, bytesWritten;
char readBuffer[256], writeBuffer[] = "Hello, Serial!";
WriteFile(hSerial, writeBuffer, strlen(writeBuffer), &bytesWritten, NULL);
ReadFile(hSerial, readBuffer, sizeof(readBuffer), &bytesRead, NULL);
// 关闭串口
CloseHandle(hSerial);

Linux平台

在Linux平台上，串口设备通常位于/dev/ttyS或/dev/ttyUSB。使用POSIX标准接口进行串口编程，以下是一个简单的例子：

int serialPort = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);
if (serialPort < 0) {
    // 错误处理
}
// 设置串口参数
struct termios tty;
tcgetattr(serialPort, &tty);
cfsetispeed(&tty, B9600);
cfsetospeed(&tty, B9600);
tty.c_cflag = (tty.c_cflag & ~CSIZE) | CS8;
tty.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);
tty.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
tty.c_oflag &= ~OPOST;
tcsetattr(serialPort, TCSANOW, &tty);
// 读写数据
char readBuffer[256], writeBuffer[] = "Hello, Serial!";
write(serialPort, writeBuffer, sizeof(writeBuffer));
read(serialPort, readBuffer, sizeof(readBuffer));
// 关闭串口
close(serialPort);

单片机（STM32为例）

在STM32平台上，串口通信通过HAL库进行配置和操作。以下是一个简单的串口通信示例代码。

// main.c 文件
#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
int main(void) {
    // 初始化所有外设
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART2_UART_Init();
    // 发送数据
    char writeBuffer[] = "Hello, Serial!";
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)writeBuffer, strlen(writeBuffer), HAL_MAX_DELAY);
    // 接收数据
    char readBuffer[256];
    HAL_UART_Receive(&huart2, (uint8_t*)readBuffer, sizeof(readBuffer), HAL_MAX_DELAY);
    // 主循环
    while (1) {
        // 可以在此处处理接收的数据
    }
}
// usart.c 文件
/* USART2 init function */
void MX_USART2_UART_Init(void) {
    huart2.Instance = USART2;
    huart2.Init.BaudRate = 9600;
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart2.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    if (HAL_UART_Init(&huart2) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
}

串口编程的基本流程