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串口通讯协议

by wittx 2022-06-24

串口通信指串口按位（bit）发送和接收字节。
尽管比特字节（byte）的串行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。
串口通信协议是指规定了数据包的内容，内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485。

串口通信协议 Serial communication protocol
协议 RS-232、RS-422和RS-485
串口通讯的物理层有很多标准及变种，我们主要讲解RS-232标准，RS-232标准主要规定了信号的用途、通讯接口以及信号的电平标准。
使用RS-232标准的串口设备间常见的通讯结构见图 201。

图 201 串口通讯结构图
在上面的通讯方式中，两个通讯设备的"DB9接口"之间通过串口信号线建立起连接，串口信号线中使用"RS-232标准"传输数据信号。由于RS-232电平标准的信号不能直接被控制器直接识别，所以这些信号会经过一个"电平转换芯片"转换成控制器能识别的"TTL校准"的电平信号，才能实现通讯。

1. 电平标准

根据通讯使用的电平标准不同，串口通讯可分为TTL标准及RS-232标准，见表 201。

表 201 TTL电平标准与RS232电平标准

我们知道常见的电子电路中常使用TTL的电平标准，理想状态下，使用5V表示二进制逻辑1，使用0V表示逻辑0；而为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力，它使用-15V表示逻辑1，+15V表示逻辑0。使用RS232与TTL电平校准表示同一个信号时的对比见图 202。

图 202 RS-232与TTL电平标准下表示同一个信号

因为控制器一般使用TTL电平标准，所以常常会使用MA3232芯片对TTL及RS-232电平的信号进行互相转换。

串行通信协议包括系统间协议和内部系统协议。
　　系统间协议：用于通信两个不同设备的系统间协议。就像计算机与微控制器套件之间的通信一样。通过内部总线系统进行通信。常见的有UART协议、USART协议、USB协议。

　　内部系统协议：内部系统协议用于通信电路板上的两个设备。在使用这些系统内协议时，我们将不使用系统内协议而扩展微控制器的外围设备。使用系统内协议会增加电路复杂度和功耗。使用系统内协议，电路复杂度和功耗降低，成本降低，并且访问数据非常安全。常见的有I2C协议、SPI协议、CAN协议。

UART协议
　　UART代表通用异步发送器和接收器。UART协议是具有两个有线协议的串口通信。数据电缆信号线标记为Rx和Tx。串口通信通常用于发送和接收信号。它被传输并与串口通信接收数据，而没有类脉冲。UART接收数据字节并按顺序发送各个位。
　　USAT协议在嵌入式系统中，通常作为 MCU 的外设; 一般来说，由芯片引脚直接引出的一般是 TTL 电平;而中间接有转换芯片的可能就是RS232电平。详情可查看：串行通讯的标准

UART是半双工协议。半双工意味着具有传输和接收数据的功能，但不能同时进行。大多数控制器在电路板上都有硬件UART。它使用一条数据线来发送和接收数据。它具有一个起始位、一个8位数据和一个停止位，表示8位数据传输一个人的信号是从高到低。例如：电子邮件、短信、对讲机，工业物联网传输设备串口服务器。

USART协议
　　USART代表通用的同步和异步发送器和接收器。它是两线协议的串口通信。数据电缆信号线标记为Rx和TX。该协议用于逐字节发送和接收数据以及时钟脉冲。这是一种全双工协议，意味着同时以不同的板速发送和接收数据。不同的设备通过此协议与微控制器通信。例如电信。

USB协议
　　USB代表通用串行总线。同样，它是两线协议的串行通信。数据电缆信号线标记为D +和D-。此协议用于与系统外围设备进行通信.USB协议用于向主机和外围设备串行发送和接收数据.USB通信需要基于系统功能的驱动程序软件.USB设备可以在其上传输数据主机上没有任何请求的总线。现在，当今大多数设备都在使用这种技术与USB协议进行通信。像计算机一样使用USB与ARM控制器通信。USB以不同的模式传输数据。第一个是10 kbps至100 kbps的慢速模式;第二个是全速模式500kbps至10mbps，高速模式25mbps至400Mbps。USB最大电缆长度为4米。
　　例如：鼠标、键盘、集线器、开关、笔式驱动器。

I2C协议
　　I2C代表内部集成电路。I2C只需两条线即可将所有外设连接到微控制器。I2C只需两条线SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)即可在设备之间传输信息。它是从属通信协议的主控。每个从站都有一个唯一的地址。主设备发送目标从设备的地址和读/写标志。该地址与该设备打开的任何从设备匹配，其余从设备处于禁用模式。一旦地址匹配，在主机和该从机之间进行通信，并发送和接收数据。发送器发送8位数据，接收器回复1位确认。通讯完成后，主站发出停止条件。
　　I2C总线是由飞利浦半导体公司开发的。其最初目的是提供一种将CPU连接到外围设备芯片的简便方法。嵌入式系统中的外围设备通常作为内存映射设备连接到微控制器。I2C仅需要两条线即可将所有外设连接到微控制器。这些称为SDA和SCL的有源线都是双向的。SDA线是串行数据线，而SCA线是串行时钟线。

I2C上拉电阻：
　　为什么在I2C SCL和SDA线路中使用上拉电阻。
　　SDA和SCL线均为漏极开路驱动器。
　　它可以将输出驱动为低电平，将其驱动为高电平。
　　为了使线路能够变高，您必须提供上拉电阻

SPI协议
　　SPI代表串行外设接口。它是摩托罗拉开发的串行通信协议之一。有时SPI协议也称为4线协议。它需要四线MOSI，MISO，SS和SCLK.SPI协议用于通信主设备和从设备。主机首先使用频率配置时钟。然后，主机通过拉片选按钮选择特定的从设备进行通信。选择该特定设备并开始主机与该特定从机之间的通信。主机一次仅选择一个从机。它是一种全双工通信协议。在位传输的情况下，不限于8位字。

CAN协议
　　CAN代表控制器局域网。它是一个串行通信协议。它需要两条线CAN高(H +)和CAN低(H-)。它是由Robert bosh公司于1985年开发的，用于车载网络。它基于面向消息的传输协议。
　　1970年代是汽车制造商开始引入新功能的时代，例如防抱死制动，空调，齿轮控制，中央操作门锁等。这些功能确保了额外的接线和复杂的设计，从而增加了成本和风险。为了克服这些问题，Robert Bosch在1980年代引入了CAN协议。此串行通信协议在1993年进一步标准化为ISO11898。正是CAN协议完全改变了高级传感器之间的通信。
　　CAN协议常用于汽车、飞机和医疗系统中的电子网络。常见产品有Can转以太网设备USR-CANET200