本文介紹了串口通信協議RS-232、RS-422和RS-485的基本概念，包括波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位以及握手等信息。

1. 什么是串口？

串口通信的概念十分簡單。 串口按位發送和接收字節。 盡管比按字節傳輸的并行通信慢，但是串口很簡單并且能夠實現遠距離通信。 例如， IEEE 488規范定義并行通信時指出，設備間線總長度不得超過20米，且任意兩個設備間的距離不得超過2米；而串口通信的長度可達1200米。
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通常，串口用于傳輸ASCII數據。 通信使用3根線完成：(1) 地線，(2) 發送線，(3) 接收線。 由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發送數據的同時在另一根線上接收數據。 這種方式稱為全雙工傳輸。 其他線用于握手，但不是必須的。 串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位。 對于兩個進行通信的端口，這些參數必須匹配：

波特率是衡量通信速度的參數。 它表示每秒鐘傳送的位數。 例如，300波特表示每秒鐘發送300個位。 當我們提到串口中的時鐘周期時，我們就是指波特率。 例如，如果協議需要4800波特率，那么時鐘是4800Hz。 這意味著串口通信在數據線上的采樣率為4800Hz。 通常電話線的波特率為14400、28800和36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。 高波特率常常用于距離很近的儀器間的通信。

數據位是衡量通信中實際數據位的參數。 當計算機發送一個信息包，實際的數據可能不是8位的， 標準的值是5、7和8位。 如何設置取決于您想傳送的信息。 例如，標準的ASCII碼是0～127（7位）。 擴展的ASCII碼是0～255（8位）。 如果數據使用簡單的文本（標準ASCII碼），那么每個數據包使用7位數據。 每個包是指一個字節，包括開始/停止位、數據位和奇偶校驗位。 由于實際數據位取決于所選的通信協議，術語“包”指任何通信的情況。

停止位用于表示單個包的最后一位。 典型的值為1、1.5和2位。 由于數據是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現了小小的不同步。 因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。 適用于停止位的位數越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。

奇偶校驗位是用于串口通信的一種簡單的檢錯方式。 有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。 當然沒有校驗位也是可以的。 對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位（數據位后面的一位），用一個值確保傳輸的數據有偶個或者奇個邏輯高位。 例如，如果數據是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數是偶數個。 如果是奇校驗，校驗位為1，這樣就有3個邏輯高位。 高位和低位不真正的檢查數據，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。 這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或傳輸和接收數據是否不同步。

2. 什么是RS-232？

RS-232（ANSI/EIA-232標準）是IBM-PC及其兼容機上的串行連接標準。用途十分廣泛，比如連接鼠標、打印機或者調制解調器，同時也可以接工業儀器儀表。 用于驅動和連線的改進，實際應用中RS-232的傳輸長度或者速度常常超過標準的值。 RS-232只限于PC串口和設備間點對點的通信。 RS-232串口通信最遠距離是50英尺。

數據?
TXD（引腳3）?串口數據輸出?
RXD（引腳2）?串口數據輸入?
握手?
RTS（引腳7）?發送請求?
CTS（引腳8）?清除發送?
DSR（引腳6）?數據發送就緒?
DCD （引腳1）?數據載波檢測?
DTR（引腳4）?數據終端就緒?
地線?
GND（引腳5）?地線?
其他?
RI（引腳9）?鈴聲指示

表1：RS-232引腳功能

3. 什么是RS-422？

RS-422 (EIA RS-422-A Standard)是Apple Macintosh計算機的串口連接標準。 RS-422使用差分信號，RS-232使用非平衡參考地的信號。差分傳輸使用兩根線發送和接收信號，對比RS-232，它能更好的抗噪聲和有更遠的傳輸距離。在工業環境中更好的抗噪性和更遠的傳輸距離是一個很大的優點。

4. 什么是RS-485？

RS-485（EIA-485標準）是RS-422的改進，因為它增加了設備的個數，從10個增加到32個，同時定義了在最大設備個數情況下的電氣特性，以保證足夠的信號電壓。 有了多個設備的能力，你可以使用單個RS-485串口建立設備網絡。 由于出色抗噪和多點通訊能力，在工業應用中建立連向PC機的分布式設備網絡、其他數據收集控制器、HMI或者其他操作時，串行連接會選擇RS-485。 RS-485是RS-422的擴展集，因此所有的RS-422設備可以被RS-485控制。RS-485可以用超過4000英尺的線進行串行通信。

數據?
TXD+（引腳8）?串口數據輸出（差分）?
TXD-（引腳9）?串口數據輸出（差分）?
RXD+（引腳4）?串口數據輸入（差分）?
RXD-（引腳5）?串口數據輸入（差分）?
握手?
RTS+（引腳3）?發送請求（差分）?
RTS-（引腳7）?發送請求（差分）?
CTS+（引腳2）?清除發送（差分）?
CTS-（引腳6）?清除發送（差分）?
DSR（引腳6）?數據發送就緒?
地線?
GND（引腳1）?地線

表2：RS-485和RS-422引腳功能

5. RS-232、RS-422和RS-485的區別是什么？

RS-232是最常見的串口，是大部分兼容Windows的桌面計算機的一個標準組件。 如今通過USB到RS-232轉換器使用RS-232更為常見。 RS-232只允許每根線使用一個發送器和接收器。 RS-232也使用全雙工雙數方式。 NI某些RS-232板卡支持的波特率最高達1 Mb/s，但大部分設備限于115.2 kb/s及以下。

RS-422 (EIA RS-422-A Standard)是傳統Apple計算機的串口連接標準。 該標準機制下的最高數據傳輸速度可達10 Mb/s。RS-422使用兩根線發送每個信號，以增加最大波特率和線纜長度。 RS-422還指定用于多點通訊應用，一個發送器連接到最多10個接收器的總線并發送數據。

RS-485是RS-422的擴展集，對這些能力進行了擴展。 RS-485解決了RS-422處理多點通訊的限制，通過同一數據線通信時最多允許32個設備。 RS-485總線上的任意從設備都可以與任意其他32個從設備進行通信，無需經由主設備。 由于RS-422是RS-485的子集，因而所有RS-422設備可能受RS-485控制。

RS-485和RS-422都支持多點通訊能力，但RS-485可允許最多32個設備，而RS-422的限制為10個。對于這兩種串行通訊協議，您都需要自己添加終端匹配電路。 所有NI RS-485板卡都兼容RS-422標準。

下表對工作模式、驅動器和接收器總數、最大線纜長度和最大數據速率進行了比較。

標準?RS-232?RS-422?RS-485?
工作模式?單端?差分?差分?
單根線上的驅動器/接收器數?1個驅動器
1個接收器?1個驅動器
10個接收器?32個驅動器*
32個接收器?
最大纜線長度?50 ft (2500 pF)?4000 ft?4000 ft?
最大數據速率（最大線纜長度時）?160 kb/s（最高可達1 Mb/s）?10 Mb/s?10 Mb/s

表3：RS-232、RS-422和RS-485規范

*同一時間只有一個驅動器活動

*同一時間只有一個驅動器活動

6. 什么是握手？

RS-232通行方式允許簡單連接三線：TX、RX和地線。

但是對于數據傳輸，雙方必須對數據定時使用相同的波特率。 盡管這種方法對于大多數應用已經足夠，但是對于接收方過載的情況這種使用受到限制。 這時需要串口的握手功能。 在這一部分，我們討論三種最常用的RS-232握手形式：軟件握手、硬件握手和Xmodem。

軟件握手：我們討論的第一種握手是軟件握手。 通常用在實際數據是控制字符的情況，類似于GPIB使用命令字符串的方式。 必須的線仍然是三根：TX、RX和地線，因為控制字符在傳輸線上和普通字符沒有區別， 函數SetXModem允許用戶使能或者禁止用戶使用兩個控制字符XON和OXFF。 這些字符在通信中由接收方發送，使發送方暫停。

例如：假設發送方以高波特率發送數據。 在傳輸中，接收方發現由于CPU忙于其他工作，輸入緩沖區已經滿了。 為了暫時停止傳輸，接收方發送XOFF，典型的值是十進制19，即十六進制13，直到輸入緩沖區清空。 一旦接收方準備好接收，它發送XON，典型的值是十進制17，即十六進制11，繼續通信。 輸入緩沖區半滿時，LabWindows發送XOFF。 此外，如果XOFF傳輸被打斷，LabWindows會在緩沖區達到75％和90％時發送XOFF。 顯然，發送方必須遵循此守則以保證傳輸繼續。

此方式的最大缺點，也是最重要的概念：數值將不再使用十進制17和19。 由于這些數值為無字符數值，因此往往不會影響 ASCII 的傳輸作業；然而，若以二進制法傳輸數據，則極可能將這些數值作為數據進行傳輸，導致傳輸作業發生錯誤。
硬件握手：第二種是使用硬件線握手。 和TX和RX線一樣，RTS/CTS和DTR/DSR一起工作，一個作為輸出，另一個作為輸入。 第一組線是RTS (Request to Send)和CTS (Clear to Send)。 當接收方準備好接收數據，它置高RTS線表示就緒， 如果發送方也就緒，它置高CTS，表示它即將發送數據。 另一組線是DTR (Data Terminal Ready)和DSR (Data Set Ready)。 這些線主要用于調制解調器通信。 使得串口和調制解調器通信他們的狀態。 例如：當調制解調器已經準備好接收來自PC的數據，它置高DTR線，表示和電話線的連接已經建立。 讀取DSR線置高，PC機開始發送數據。 一個簡單的規則是DTR/DSR用于表示系統通信就緒，而RTS/CTS用于單個數據包的傳輸。

在LabWindows中，函數SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。 如果CTS模式使能，LabWindows使用如下規則：

當PC發送數據：

RS-232庫必須檢測CTS線高后才能發送數據。

當PC接收數據：

如果端口打開，且輸入隊列有空接收數據，庫函數置高RTS和DTR。
如果輸入隊列90％滿，庫函數置低RTS，但使DTR維持高電平。
如果輸入隊列近乎為空，庫函數置高RTS，但使DTR維持高電平。
如果端口關閉，庫函數置低RTS和DTR。

XModem握手：最后討論的握手叫做XModem文件傳輸協議。 這個協議在調制解調器通信中非常通用。 盡管它通常使用在調制解調器通信中，XModem協議能夠直接在其他遵循這個協議的設備通信中使用。 在LabWindows中，實際的XModem應用對用戶隱藏了。 只要PC和其他設備使用XModem協議，在文件傳輸中就使用LabWindows的XModem函數。 函數是XModemConfig、XModemSend和XModemReceive。

XModem使用介于如下參數的協議：start_of_data、end_of_trans、neg_ack、ack、wait_delay、start_delay、max_tries、packet_size。 這些參數需要通信雙方認定。 標準的XModem有一個標準的定義；然而，可以通過XModemConfig函數修改，以滿足具體需要。 這些參數的使用方法由接收方發送的字符neg_ack確定。 這通知發送方其準備接收數據。 它開始嘗試發送，有一個超時參數start_delay；當超時的嘗試超過max_tries次數，或者收到接收方發送的start_of_data，發送方停止嘗試。 如果達到max_tries次數，將通知用戶無法與發送方通信。 如果從發送方收到start_of_data，接收方將讀取后繼信息數據包。 包中含有包的數目、包數目的補碼作為錯誤校驗、packet_size字節大小的實際數據包，和進一步錯誤檢查的求和校驗值。 在讀取數據后，接收方會調用wait_delay，然后向發送方發送響應。 如果發送方沒有收到響應，它會重新發送數據包，直到收到響應或者超過重發次數的最大值max_tries。 如果一直沒有收到響應，發送方通知用戶傳輸數據失敗。

由于數據必須以pack_size個字節按包發送，當最后一個數據包發送時，如果數據不夠放滿一個數據包，后面會填充ASCII碼NUL (0)字節。 這導致接收的數據比原數據多。 在XModem情況下一定不要使用XON/XOFF，因為XModem發送方發出包的數目很可能增加到XON/OFF控制字符的值，從而導致通信故障。