串口通信

1.1串行接口1.1.1串行接口基本原理与结构1．串行通信概述常用的数据通信方式有并行通信和串行通信两种。当两台数字设备之间传输距离较远时，数据往往以串行方式传输。串行通信的数据是一位一位地进行传输的，在传输中每一位数据都占据一个固定的时间长度。与并行通信相比，如果n位并行接口传送n位数据需时间T，则串行传送的时间最少为nT。串行通信具有传输线少、成本低等优点，特别适合远距离传送。①串行数据通信模式串行数据通信模式有单工通信、半双工通信和全双工通信3种基本的通信模式。●单工通信：数据仅能从设备A到设备B进行单一方向的传输。●半双工通信：数据可以从设备A到设备B进行传输，也可以从设备B到设备A进行传输，但不能在同一时刻进行双向传输。●全双工通信：数据可以在同一时刻从设备A传输到设备B，或从设备B传输到设备A，即可以同时双向传输。②串行通信方式串行通信在信息格式的约定上可以分为同步通信和异步通信两种方式。a.异步通信方式异步通信时数据是一帧一帧传送的，每帧数据包含有起始位（”0”）、数据位、奇偶校验位和停止位（”1”），每帧数据的传送靠起始位来同步。一帧数据的各位代码间的时间间隔是固定的，而相邻两帧的数据其时间间隔是不固定的。在异步通信的数据传送中，传输线上允许空字符。异步通信对字符的格式、波特率、校验位有确定的要求。●字符的格式每个字符传送时，必须前面加一起始位，后面加上1、1.5或2位停止位。例如ASCII码传送时，一帧数据的组成是：前面1个起始位，接着7位ASCII编码，再接着一位奇偶校验位，最后一位停止位，共10位。●波特率传送数据位的速率称为波特率，用位／秒（bit/s）来表示，称之为波特。例如，数据传送的速率为120字符／秒，每帧包括10个数据位，则传送波特率为：10×120=1200b/s=1200波特每一位的传送时间是波特的倒数，如1/1200=0.833ms。异步通信的波特率的数值通常为：150、300、600、1200、2400、4800、9600、14400、115200,28800等。●校验位在一个有8位的字节（byte）中，其中必有奇数个或偶数个的“1”状态位。对于偶校验就是要使字符加上校验位有偶数个“1”；奇校验就是要使字符加上校验位有奇数个“1”。例如数据“00010011”，共有奇数个“1”，所以当接收器要接收偶数个“1”时（即偶校验时），则校验位就置为“1”，反之，接收器要接收奇数个“1”时（即奇校验时），则校验位就置为“0”。\一般校验位的产生和检查是由串行通信控制器内部自动产生，除了加上校验位以外，通信控制器还自动加上停止位，用来指明欲传送字符的结束。停止位通常取1、1.5或2个位。对接收器而言，若未能检测到停止位则意味着传送过程发生了错误。在异步通信方式中，在发送的数据中含有起始位和停止位这两个与实际需要传送的数据毫无相关的位。如果在传送1个8位的字符时，其校验位、起始位和停止位都为1个位，则相当于要传送11个位信号，传送效率只有约80%。（2）同步通信方式为了提高通信效率可以采用同步通信方式。同步传输采用字符块的方式，减少每一个字符的控制和错误检测数据位，因而可以具有较高的传输速率。与异步方式不同的是，同步通信方式不仅在字符的本身之间是同步的，而且在字符与字符之间的时序仍然是同步的，即同步方式是将许多的字符聚集成一字符块后，在每块信息（常常称之为信息帧）之前要加上1～2个同步字符，字符块之后再加入适当的错误检测数据才传送出去。在同步通信时必须连续传输，不允许有间隙，在传输线上没有字符传输时，要发送专用的”空闲”字符或同步字符。在同步方式中产生一种所谓“冗余”字符，防止错误传送。假设欲传送的数据位当作一被除数，而发送器本身产生一固定的除数，将前者除以后者所得的余数即为该“冗余”字符。当数据位和“冗余”字符位一起被传送到接收器时，接收器产生和发送器相同的除数，如此即可检查出数据在传送过程中是否发生了错误。统计数据表明采用”冗余”字符方法错误防止率可达99%以上。2．RS-232C串行接口RS-232C是美国电子工业协会EIA制定的一种串行通信接口标准。（1）RS-232C接口规格EIA所制定的传送电气规格如表1.1.1所示。RS-232C通常以±12V的电压来驱动信号线，TTL标准与RS-232C标准之间的电平转换电路通常采用集成电路芯片实现，如MAX232等。表1.1.1EIA的所定的传送电气规格状态L（低电平）H（高电平）电压范围-25V～-3V+3V～+25V逻辑10名称SPACEMARK（2）RS-232C接口信号EIA制定的RS-232C接口与外界的相连采用25芯（DB-25）和9芯（DB-9）D型插接件，实际应用中，并不是每只引脚信号都必须用到，25芯和9芯D型插接件引脚的定义，与信号之间的对应关系如图1.1.1所示。RS-232CDB-9各引脚功能如下：●CD：载波检测。主要用于Modem通知计算机其处于在线状态，即Modem检测到拨号音。●RXD：接收数据线。用于接收外部设备送来的数据。●TXD：发送数据线。用于将计算机的数据发送给外部设备。●DTR：数据终端就绪。当此引脚高电平时，通知Modem可以进行数据传输，计算机已经准备好。●SG：信号地。●DSR：数据设备就绪。此引脚为高电平时，通知计算机Modem已经准备好，可以进行数据通信。●RTS请求发送。此引脚由计算机来控制，用以通知Modem马上传送数据至计算机；否则，Modem将收到的数据暂时放人缓冲区中。●CTS清除发送。此引脚由Modem控制，用以通知计算机将要传送的数据送至Mo-dem。●RI：振铃提示。Modem通知计算机有呼叫进来，是否接听呼叫由计算机决定。（a）DB-25（b）DB-9图1.1.125芯和9芯D型插接件引脚的定义和信号之间的对应关系（3）RS-232C的基本连接方式计算机利用RS-232C接口进行串口通信，有简单连接和完全连接两种连接方式。简单连接又称三线连接，即只连接发送数据线、接收数据线和信号地，如图1.1.2所示。如果应用中还需要使用RS-232C的控制信号，则采用完全连接方式，如图1.1.3所示。在波特率不高于9600bps的情况下进行串口通信时，通信线路的长度通常要求小于15米，否则可能出现数据丢失现象。图1.1.2简单连接形式图1.1.3完全连接形式3．RS-422串行通信接口RS-422标准是RS-232的改进型，RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”。允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点，即一个主设备（Master），其余10个为从设备（Salve），从设备之间不能通信。RS-422支持一点对多点的双向通信。RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219m），最大传输速率为10Mb/s。传输速率与平衡双绞线的长度有关，只有在很短的距离下才能获得最高传输速率。在最大传输距离时，传输速率为100Kb/s。一般100m长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。RS-422需要在传输电缆的最远端连接一个电阻，要求电阻阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离（300m以下）传输时可以不连接电阻。4．RS-485串行总线接口在RS-422的基础上，为扩展应用范围，EIA制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力。在通信距离为几十米至上千米时，通常采用RS-485收发器。RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力。接收器能够检测低达200mV的电压，具有高的灵敏度，故数据传输距离可达千米以上。RS-485的共模输出电压在-7～+12V之间，接收器最小输入阻抗为12kΩ。RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以在RS-422网络中应用RS-485的最大传输速率为10Mb/s。在最大传输距离时，传输速率为100Kb/s。RS-485需要两个终端电阻，接在传输总线的两端，要求电阻阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输（在300m以下）时可不需终端电阻。1.1.2S3C2440A的UART1．UART简介UART（UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter，通用异步收发器）主要由数据线接口、控制逻辑、配置寄存器、波特率发生器、发送部分和接收部分组成，采用异步串行通信方式，采用RS-232C9芯接插件（DB-9）连接，是广泛使用的串行数据传输方式，UART以字符为单位进行数据传输，每个字符的传输格式如图1.1.4所示，包括线路空闲状态（高电平）、起始位（低电平）、5～8位数据位、校验位（可选）和停止位（位数可以是1、1.5或2位）。这种格式通过起始位和停止位来实现字符的同步。UART内部一般具有配置寄存器，通过该寄存器可以配置数据位数（5～8位）、是否有校验位和校验的类型以及停止位的位数（1位、1.5位或2位）等。图1.1.4UART的字符传输格式2．S3C2440A的UART结构S3C2440A的UART提供3个独立的异步串行I/O口（SIO），它们都可以运行于中断模式或DMA模式。UART可以产生中断请求或DMA请求，以便在CPU和UART之间传输数据。在使用系统时钟的情况下，UART可以支持最高230.4Kbps的传输速率。如果外部设备通过UEXTCLK为UART提供时钟，那么UART的传输速率可以更高。每个UART通道包含两个用于接收和发送数据的16字节的FIFO缓冲寄存器。如图所示，S3C2440A的UART由波特率发生器、发送器、接收器以及控制单元组成。波特率发生器的时钟可以由PCLK或UEXTCLK提供。发送器和接收器包含16字节的FIFO缓冲寄存器和数据移位器。发送时，数据被写入FIFO，然后拷贝到发送移位器中，接下来数据通过发送数据引脚（TxDn）被发送。接收时，接收到的数据从接收数据引脚（RxDn）移入，然后从移位器拷贝到FIFO中。图1.1.5S3C2440A的UART方框图（具有FIFO）3．S3C2440AUART的操作S3C2440A的UART的操作包含有数据发送、数据接收、中断产生、波特率发生、回送模式、红外模式和自动流控制等。（1）数据发送（DataTransmission）发送的数据帧是可编程的。它包括1个起始位、5～8个数据位、1个可选的奇偶校验位和1～2个停止位，具体设置由行控制寄存器（ULCONn）确定。发送器还可以产生暂停状态，在一帧发送期间连续输出“0”。在当前发送的字完全发送完成之后发出暂停信号。在暂停信号发出后，继续发送数据到TxFIFO（2）数据接收（DataReception）与数据发送类似，接收的数据帧也是可编程的。它包括1个起始位，5～8个数据位、1个可选的奇偶校验位和1～2个停止位，具体设置由行控制寄存器（ULCONn）确定。接收器可以检测溢出错误和帧错误。溢出错误指新数据在旧数据还没有被读出之前就将其覆盖了。帧错误指接收的数据没有有效的停止位。当在3个字时间段没有接收任何数据和在FIFO模式RxFIFO不空时，产生接收暂停状态。（3）自动流控制（AuroFlowControl，AFC）如图1.1.6所示，S3C2440A的UART0和UART1使用nRTS和nCTS信号支持自动流控制。在这种情况下，它可以连接到外部的UART。如果用户希望将UART连接到Modem,则需要通过软件来禁止UMCONn寄存器中的自动流控制位并控制nRTS信号。图1.1.6UARTAFC接口在AFC状态，nRTS根据接收器的状态和nCTS信号控制发送器的操作。只有当nCTS信号是有效时（在AFC状态，nCTS表示其他UART的FIFO已经准备好接收数据），UART的发