第六章RS232通信協(xié)議

1、第6章 RS-232通信協(xié)議第六章 RS-232通信協(xié)議本章主要內(nèi)容包括：Ð RS-232C通信協(xié)議簡(jiǎn)介Ð RS-232C的機(jī)械特性、電氣特性和功能特性Ð 常用RS232轉(zhuǎn)換芯片簡(jiǎn)介Ð 計(jì)算機(jī)與單片機(jī)近距離多機(jī)通信Ð RS-232C的典型應(yīng)用本章詳細(xì)介紹RS-232C通信協(xié)議，包括RS-232C的機(jī)械特性、電氣特性和功能特性，常用RS232轉(zhuǎn)換芯片的特點(diǎn)及應(yīng)用，RS-232C的連接方法，計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信等。本章的程序是實(shí)際應(yīng)用中較常使用的例子，讀者可參考選用。6.1 RS-232C通信協(xié)議簡(jiǎn)介RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（Elec

2、tronic Industry Association）與BELL等公司在1969年頒布的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是Recommended Standard 的縮寫，意為推薦標(biāo)準(zhǔn)；232是標(biāo)識(shí)號(hào)碼；而后綴“C”是版本號(hào)，表示該推薦標(biāo)準(zhǔn)已被修改過的次數(shù)，即RS-232C 是RS-232繼RS-232A，RS-232B之后的一次修訂。RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)與國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CCITT）的V.24 標(biāo)準(zhǔn)兼容，是一種非常實(shí)用的異步串行通信接口。目前在IBM PC機(jī)上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)最初是為遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端DTE（Data Termina

3、l Equipment）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE（Data Communication Equipment）而制定的。例如利用公用電話網(wǎng)絡(luò)作為傳輸媒體，通過調(diào)制解調(diào)器與遠(yuǎn)程設(shè)備連接。遠(yuǎn)程電話網(wǎng)相連接時(shí)，通過調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)，以使其能與電話網(wǎng)相容；在通信線路的另一端，另一個(gè)調(diào)制解調(diào)器將模擬信號(hào)逆轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)比特流的傳輸。以前家庭使用MODEM撥號(hào)上網(wǎng)就是使用PC機(jī)上的RS-232端口與外部通信的例子。但目前RS-232更廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與終端或外設(shè)之間的近端連接。下圖給出了兩臺(tái)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過電話網(wǎng)相連的結(jié)構(gòu)圖。RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)接口只控制DTE與DCE之間的

4、通信，與連接在兩個(gè)DCE之間的電話網(wǎng)沒有直接的關(guān)系。圖6.1 RS-232C 的遠(yuǎn)程通信RS-232C是一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)通信接口的有關(guān)問題，如信號(hào)功能、電氣特性和機(jī)械特性等都作了明確的規(guī)定。因?yàn)橥ㄐ沤涌谂c設(shè)備制造廠商都生產(chǎn)與RS-232C兼容的通信設(shè)備，因此RS-232C已經(jīng)成為了微機(jī)串行通信接口中廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)。6.1.1 機(jī)械特性（1）連接器由于RS-232C標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了采用一對(duì)物理連接器，而對(duì)連接器本身的物理特性未作定義，因此出現(xiàn)了DB-25、DB-15、DB-9等各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同，使用時(shí)應(yīng)加以注意。在實(shí)際應(yīng)用中，DB-25、DB-9兩種連接器使用較多，如在微型

5、計(jì)算機(jī)的RS-232C串行端口上，大多使用9 針連接器DB-9。圖6.2給出了一個(gè)典型的9針RS-232C接口。圖6.2 9針RS-232C接口下面簡(jiǎn)單介紹一下DB-25和DB-9兩種連接器。早期的PC和PC/XT采用DB-25型連接器，插頭一側(cè)為DTE，插座一側(cè)為DCE。這個(gè)連接器的外殼和大寫字母D的外形很相似，因此有人形象的稱之為D型口。DB-25型連接器有插針式和內(nèi)孔式兩種，一般地，DTE連接器有插針式導(dǎo)線，而DCE有內(nèi)孔式導(dǎo)線。圖6.2便是一種插針式導(dǎo)線接口。DB-25型連接器的外形及信號(hào)線分配如圖6.3（a）和（b）所示。大多數(shù)PC機(jī)的串口使用9針插入式連接器。這些串口只包括常用的9

6、個(gè)信號(hào)。DB-9型連接器的外形及信號(hào)線分配如圖6.4的（a）和（b）所示。（2）電纜電纜既有普通方式電纜，如同軸電纜和雙絞線電纜，又有特殊電纜，例如光纖等。電纜的兩個(gè)重要參數(shù)是電阻和電容。導(dǎo)線的電阻值受多種因素影響，表6.1給出了標(biāo)準(zhǔn)AWG號(hào)對(duì)應(yīng)的橫截面積（一個(gè)密耳為千分之一英寸，一個(gè)圓密耳是直徑為千分之一英寸的圓面積）和每1000英尺的電阻值。表6.1 標(biāo)準(zhǔn)AWG號(hào)對(duì)應(yīng)的橫截面積AWG面積（圓密耳）歐姆（1000英尺，20）0000211，6000.04900105，5300.09831010，3810.99892264216.143625414.8 （a）DTE插針式25針 （b）DCE內(nèi)

7、孔式25針圖6.3 DB-25型連接器 （a）DTE插針式9針 （b）DCE內(nèi)孔式9針圖6.4 DB-9型連接器傳輸電纜的長度也與傳輸?shù)碾娙萦嘘P(guān)。電纜中電容通常以每英尺皮法數(shù)（pF/ft）表示，它指示了在給定頻率的信號(hào)上給定電纜的電容影響，電容量越低，則有效頻率越高。相對(duì)數(shù)字信號(hào)而言，電容的增加意味著傳輸中的方波變圓。EIA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，被驅(qū)動(dòng)電路（終端）的電容，包括電纜連接電容必須小于2500pF。對(duì)于一個(gè)多芯電纜來說，每英尺（0.305m）電容為40pF 50pF，因此滿足電容特性的電纜長度最大為50英尺（15.24m）。如果電容特性不滿足，則明顯的反應(yīng)是從空號(hào)到傳號(hào)（從0到1），或從傳號(hào)到空

8、號(hào)（從1到0）的跳變時(shí)間要超過RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4%位碼時(shí)間的最大允許值。因?yàn)閷?duì)于傳號(hào)/空號(hào)的跳變過程和空號(hào)/傳號(hào)的跳變過程來說，不同的跳變情況下驅(qū)動(dòng)器和接收器電路的電阻是不同的，所以對(duì)電纜電容充電的時(shí)間也總是不同的。超過50英尺所增加的電容和上述充電時(shí)間的差異會(huì)使接收電路產(chǎn)生傳號(hào)位碼比空號(hào)位碼寬（傳號(hào)畸變）或反之（空號(hào)畸變）。這些畸變會(huì)引起字符接收錯(cuò)誤。如果在時(shí)鐘頻率有畸變或信號(hào)狀態(tài)發(fā)生跳變時(shí)出現(xiàn)噪聲，則更容易出錯(cuò)。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)允許的連接電纜不超過50英尺，但若能保證電纜總電容小于2500pF，則電纜長度可超過限定值。同時(shí)，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)所允許的信號(hào)傳輸速率在020kbps的

9、范圍之內(nèi)，而在實(shí)際應(yīng)用中常被限制在19.2kbps之內(nèi)。RS-232C相互連接使用的理想電纜類型是屏蔽的多股導(dǎo)線型。它們通常具有4、7、9、12、16和25根導(dǎo)線，每根導(dǎo)線是絕緣的多股銅線，所有導(dǎo)線由外帶PVC層的鋁箔網(wǎng)屏蔽包在一起。當(dāng)不需要屏蔽時(shí)，扁平電纜也可以用于直連的RS-232應(yīng)用。6.1.2 電氣特性RS-232C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信號(hào)的邏輯電平、最高數(shù)據(jù)傳輸和各種信號(hào)功能都做了規(guī)定，RS-232C電氣特性如表6.2所示。表6.2 RS-232C電氣特性電氣特性參數(shù)范圍帶3KW7KW負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)器輸出電平邏輯0 邏輯1不帶負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)器的輸出電平-25V到+25V驅(qū)動(dòng)器通斷時(shí)輸出阻抗>300W

10、輸出短路電流<0.5A驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換速率<30V/ms接收器輸入阻抗3KW7KW接收器輸入電壓的允許范圍-25V到+25V輸入開路時(shí)接收器的輸出邏輯1輸入經(jīng)300W接地接收器輸出邏輯1+3V輸入時(shí)接收器輸出邏輯0-3V輸入時(shí)接收器輸出邏輯1最大負(fù)載電容2500pF6.1.3 功能特性（1）信號(hào)特性RS-232C采用雙極性信號(hào)、公共線和負(fù)邏輯。在最高數(shù)據(jù)傳輸率19.2kbps下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L度為20m以內(nèi)，若數(shù)據(jù)傳輸率減少，傳輸?shù)拈L度可加大。RS-232C規(guī)定的邏輯電平與一般的處理器、單片機(jī)的電平不同。RS-232C采用負(fù)邏輯電平，規(guī)定+15V+3V之間的任意電壓表示邏輯0電平，-15V

11、-3V之間的任意電壓表示邏輯1電平。RS-232C連接器上任一腳上的信號(hào)狀態(tài)如表6.3所示。表6.3 RS-232C信號(hào)電壓意義狀態(tài)信號(hào)電壓-15V-3V+15V+3V二進(jìn)制邏輯10信號(hào)狀態(tài)信號(hào)（MARK）空號(hào)（SPACE）功能斷（OFF）通（ON）RS-232C采用這個(gè)范圍而不采用TTL邏輯（05V），是為了提高抗干擾能力和增加傳輸距離。由于傳號(hào)和空號(hào)狀態(tài)用相反的電壓表示，其間有6V的差距，這就大大提高了傳輸?shù)目煽啃?。邏?在驅(qū)動(dòng)器輸出端為+5V+15V，在負(fù)載端為+3V；相應(yīng)的邏輯1驅(qū)動(dòng)器輸出端為-5V -15V，在負(fù)載端為-3V。RS-232C的電平如圖6-5所示。圖6-5 RS-232

12、C電平由于RS-232電平與TTL電平不同，因此在實(shí)際應(yīng)用中，必須把微處理器的信號(hào)電平（TTL電平）轉(zhuǎn)換為RS-232電平，或者對(duì)兩者進(jìn)行逆轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換是由專用的芯片完成的。轉(zhuǎn)換芯片的具體內(nèi)容將會(huì)在后面介紹。RS-232中開路電壓不能超過25V，最大短路電流為0.5A。RS-232的驅(qū)動(dòng)電路必須能承受電纜中任何傳輸導(dǎo)線短路，而不會(huì)導(dǎo)致有關(guān)設(shè)備的損壞。（2）RS-232信號(hào)改變的要求RS-232標(biāo)準(zhǔn)通信速率可以達(dá)到20kbps（通常的速率是19.2kbps）。RS-232并沒有規(guī)定固定的速率，通常的值是0.3 kbps，1.2 kbps，2.4 kbps，9.6 kbps和19.2kbps。其他可

13、以接受但不常用的速率值是0.11 kbps，0.6 kbps，4.8 kbps。信號(hào)從邏輯1到邏輯0或者從邏輯0到邏輯1的改變，必須遵循一下幾個(gè)要求：在一個(gè)信號(hào)改變期間，當(dāng)信號(hào)進(jìn)入過渡區(qū)后，信號(hào)必須從過渡區(qū)馬上變?yōu)橄喾吹男盘?hào)狀態(tài)，而不能在過渡區(qū)內(nèi)變?yōu)橄喾吹姆较蚧蛘咄ㄟ^過渡區(qū)后又重新進(jìn)入過渡區(qū)。對(duì)于控制信號(hào)，信號(hào)通過過渡區(qū)的轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)該小于1ms。對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，通過過渡區(qū)的轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)：比特周期大于25ms時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)小于1ms；比特周期在25ms和125ms之間時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)小于比特周期的4%；比特周期小于125ms時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)小于5ms。數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降

14、沿在理想狀態(tài)下應(yīng)該是相等的。圖6-5描繪了可接收以及不可接收的信號(hào)波形。圖6.5 可接收以及不可接收的信號(hào)波形(a)可接收信號(hào)；(b)重新進(jìn)入過渡區(qū)；(c)過渡區(qū)內(nèi)信號(hào)反向；(d)下降沿太慢（3）RS-232C的接口信號(hào)EIA RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在串行通信時(shí)，數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE和數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE之間的接口信號(hào)。所謂“發(fā)送”和“接收”是從數(shù)據(jù)終端設(shè)備的立場(chǎng)來定義的。表6.4給出了RS-232C接口信號(hào)的名稱、引腳和功能。RS-232C定義了20根信號(hào)線，其中15根信號(hào)線（標(biāo)注*）為主通道線，其他的用于輔信道或未定義。在表6.4中，以A開頭的為地線，其中AA、AB無方向，AB為所有信號(hào)提供

15、一個(gè)公共的地線，而且一定要將通信設(shè)備中的所有參考電平相連。以C開頭的為控制線，用于DTE與DCE之間的握手信號(hào)。S開頭的為信號(hào)線。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口定義了25根線，其中有2 根地線、4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時(shí)線，另有5條備用線和未定義線。其中有9條最為常用，按照它們的功能可分類如下。聯(lián)絡(luò)控制信號(hào)線表6.4 RS-232C的接口信號(hào)引腳符號(hào)縮寫名功能說明信號(hào)方向?qū)TE對(duì)DCE1*AAPG保護(hù)地X2*BATXD發(fā)送數(shù)據(jù)出入3*BBRXD接收數(shù)據(jù)入出4*CARTS請(qǐng)求發(fā)送出入5*CBCTS允許發(fā)送入出6*CCDSR數(shù)據(jù)設(shè)備就緒入出7*ABSGND信號(hào)地XX8*CFCD載波檢測(cè)入出9未用

16、，為測(cè)試保留10未用，為測(cè)試保留11空12SCFSDCD次級(jí)載波檢測(cè)線/輔助接收線路信號(hào)檢測(cè)入出13SCBSCTS次級(jí)允許發(fā)送線/輔助通道允許發(fā)送入出14SBASTXD輔助通道發(fā)送數(shù)據(jù)出入15*DB發(fā)送信號(hào)碼元定時(shí)（DCE為源）入出16SBBSRXD次級(jí)接收數(shù)據(jù)線/輔助信號(hào)接收數(shù)據(jù)入出17*DD接收信號(hào)碼元定時(shí)入出18空19SCASRTS輔信道請(qǐng)求發(fā)送/次級(jí)請(qǐng)求發(fā)送線出入20*CDDTR數(shù)據(jù)終端DTE準(zhǔn)備就緒出入21*CG信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)線入出22*CERI振鈴指示入出23*CH/CI數(shù)據(jù)信號(hào)速度選擇線出入24*DA發(fā)送信號(hào)碼元定時(shí)（DTE為源）出入25空數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好（Data set read

17、y-DSR)有效時(shí)（ON）狀態(tài)，表明MODEM處于可以用的狀態(tài)。數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好(Data Terminal Ready-DTR)有效時(shí)（ON）狀態(tài)，表明數(shù)據(jù)終端可以使用。這兩個(gè)信號(hào)有時(shí)連到電源上，一上電就立即有效。這兩個(gè)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)有效，只表示設(shè)備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進(jìn)行通信了，能否開始進(jìn)行通信要由下面的控制信號(hào)決定。請(qǐng)求發(fā)送(Request to Send-RTS)用來表示DTE請(qǐng)求DCE發(fā)送數(shù)據(jù)，即當(dāng)終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使該信號(hào)有效（ON狀態(tài)），向MODEM請(qǐng)求發(fā)送。它用來控制MODEM是否要進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。允許發(fā)送(Clear to Send-CTS)用來表示DCE準(zhǔn)備好接收D

18、TE發(fā)來的數(shù)據(jù)，是對(duì)請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)RTS的響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)MODEM已準(zhǔn)備好接收終端傳來的數(shù)據(jù)，并向前發(fā)送時(shí)，使該信號(hào)有效，通知終端開始沿發(fā)送數(shù)據(jù)線TxD發(fā)送數(shù)據(jù)。這對(duì)RTS/CTS請(qǐng)求應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號(hào)是用于半雙工MODEM系統(tǒng)中發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中作發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中，因配置雙向通道，故不需要RTS/CTS聯(lián)絡(luò)信號(hào)，應(yīng)使其變高。數(shù)據(jù)載波檢出(Data Carrier Detection-DCD)用來表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。當(dāng)本地的MODEM收到由通信鏈路另一端（遠(yuǎn)地）的 MODEM送來的載波信號(hào)時(shí)，使DCD信號(hào)有效，通知終端準(zhǔn)備接收，并且由MODEM將接收下來的載波信號(hào)解調(diào)成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)后，沿接收數(shù)據(jù)線RxD送到終端。此線也叫做接收線路信號(hào)檢出(Received Line detection-RLSD)。振鈴指示(Ringing-RI)當(dāng)MODEM收到交換臺(tái)送來的振鈴呼叫信號(hào)時(shí)，使該信號(hào)有效（ON狀態(tài)），通知終