第10章串行通信接口

1、第十章第十章 串行通信接口串行通信接口 10.1 概述概述 10.1.1 并行和串行传输并行和串行传输 1并行数据传输并行数据传输数据在多根并行1位宽的传输线上同时由源传到目的地。例如，1字节的数据采用8根并行传输线同时由 源传到目的地。如图10-1（a）所示。2串行数据传输串行数据传输数据在单根1位宽的传输线上，一比特一比特地按顺序传送。例如，1字节的数据采用串行传输方式由源传到目的地。则1字节数据要通过同一根传输线分8次由低位到高位按顺序一位一位传输。如图10-1（b）所示。 10-1 (a) 并行 10-1 (b) 串行 图10-1 并行与串行通信示意图3并行与串行通信的比较并行与串行通

2、信的比较如表10-1所示。表 10-1并行与串行通信的比较表 10.1.2 同步通信和异步通信同步通信和异步通信 同步通信与异步通信是串行通信的两种方式。它们的区别主要如表10-2所示。表10-2 同步与异步串行通信的比较表 10.2 RS232串行接口技术串行接口技术10.2.1 异步串行通信的信号形式异步串行通信的信号形式1近程通信近程通信近程通信又称本地通信。近程通信采用数字信号方波脉冲序列直接传送的形式，即在传送过程中不改变原数据代码的波形和频率。这种数据传送方式称之为基带传送方式。近程串行通信只需用传送线把两端的接口电路直接连起来即可实现，既方便又经济。2远程通信远程通信在远程串行通

3、信中，本应使用专用的通信电缆，但从成本角度考虑通常使用电话线作为传输线。串行通信中，传输的数字信号（方波脉冲序列）要求通信媒介（如电缆和双绞线）必须有比方波本身频率更宽的频带，否则高频分量将被滤掉，使方波出现毛刺而变形。10.2.2 调制解调器及数据通信的基本原理调制解调器及数据通信的基本原理 利用调制手段，将数字方波信号变换成某种能在通信线上传输而不受影响的波形信号，正弦波正是最理想的选择。最基本的调制信号应由其频率靠近频带中心的那些正弦波组成。将载波信号（待传送的数字信号）通过一种信号进行编码称为调制，而该信号的恢复称为解调，相应的设备称为调制器（Modulator）和解调器(Demodu

4、lator）。 1Modem的分类 按照工作速度Modem可分为三类：低速Modem（波特率通常为以600bs，主要采用FSK调制技术）、中速Modem（波特率在12009600bs之间，主要采用PSK技术）和高速Modem（波特率可达9600bs以上，主要采用复杂的PAM技术）；按照对数字信号的调制技术，Modem也可分为三类：频移键控（FSK）型、相移键控（PSK）型和相幅调制（PAM）型。 2Modem的调制解调原理的调制解调原理（1）应答式）应答式Modem的发送器的发送器 Modem发送器的调制示意图如图10-4所示。 图10-4 Modem发送器的调制示意图 （2）应答式Modem

5、的接收器 Modem接收器示意图如图10-5所示。图10-5 Modem接收器示意图10.2.3 串行数据传送的基本概念串行数据传送的基本概念 发送时钟和接收时钟发送时钟和接收时钟 （1）发送时钟 串行数据的发送由发送时钟控制。数据发送过程是把并行的数据序列送入移位寄存器，然后通过移位寄存器由发送时钟触发进行移位输出，数据位的时间间隔可由发送时钟周期来划分。（2）接收时钟 串行数据的接收由接收时钟检测，接收过程就是将串行数据序列，逐位移入移位寄存器而装配成为并行数据序列的过程。即，传输线送来的串行数据序列由接收时钟作为输入移位寄存器的触发脉冲，逐位打入移位寄存器。2比特率比特率比特率是指每秒传

6、输的二进制数位数，以位/秒（bps或bit/s简称b/s）为单位。 3波特率波特率波特率是指每秒传送的符号（码元）数。若每个符号所含的信息量为1比特（或码元是二进制码元），则波特率等于比特率。波特率通常简称波特，用符号Baud或B表示。4波特率因子波特率因子接收时钟和发送时钟与波特率有如下关系：F = n B 这里F 是发送时钟或接收时钟的频率；B 是数据传输的波特率；n 称为波特率因子。 10.2.4串行通信数据连通方法和串行通信数据连通方法和IO协定协定串行通信按照同一时刻数据流的方向可分成三种基本传送方式：全双工、半双工和单工传送。如图10-7所示。1单工方式在单工通信方式中，信号只能向

7、同一个方向传输（由于通信信道只有一条），且任何时候都不能改变信号的传送方向，即，一方只能作为发送方，另一方只能作为接收方（如电视信号）。2半双工方式在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但同一个时刻只能向一个方向传送数据（由于通信信道只有一条），即，某一时刻只能有一个发送方和一个接收方，通过换向，才可以将接收方改为发送方，发送方改为接收方（如对讲机）。3全双工方式在全双工通信方式中，信号可以同时双向传送（由于通信信道有两条），即，通信双方都能同时进行发送和接收（如上网）。全双工通信信道也可以用于单工通信或半双工通信。在计算机串行通讯中主要使用半双工和全双工方式。图 10-7 串行数据传送方式

8、4串行 IO协定串行通信数据传输协议由通信双方决定，它包括定时、控制、格式化和数据的表示法等。10.2.5 校验方式和接收错误校验方式和接收错误 1校验方式（1）奇偶校验（2）CRC（Cyclic Redundancy Check）校验2接收错误 （1）奇偶校验错（2）帧错（3）溢出错 10.2.6 同步串行通信与异步串行通信同步串行通信与异步串行通信 1异步串行通信异步串行通信是指数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的（通信中两个字符间的时间间隔是不固定的），位与位之间的传送基本上是同步的（在同一个字符中的两个相邻位代码间的时间间隔是固定的）。异步串行通信协议字符格式如图10-

9、8所示。规定有起始位、数据位、奇偶校验位、停止位等，其中各位的意义如下： 图 10-8 异步串行通信协议字符格式 起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。 数据位：紧接在起始位之后。数据位的位数可以是5位、6位、7位或8位。构成一个字符，通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。 奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。也可以无校验位。 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位或2位的高电平。 空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。其长度不定。由于一个字符中的比特位

10、长度有限，所以需要的接收时钟和发送时钟只要相近就可以。这种方式对硬件要求较宽松，电路简单，但传输效率不高。2同步串行通信 同步串行通信是指数据传送是以数据块（一组字符）为单位，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步，即，每个字符间的时间间隔是相等的，而且每个字符中各相邻位代码间的时间间隔也是固定的。同步串行通信协议有面向比特(bit)型及面向字符型。面向比特型同步串行通信的帧格式如图10-9所示。 图 10-9 同步串行通信帧格式 103 异步串行接口标准异步串行接口标准 10.3.1 RS232C的引脚定义的引脚定义 表 10-3 RS232C的引脚10.3. 2 RS232C的连接的连

11、接数据终端设备与数据通信设备（如微机与调制解调器）通过RS232C接口连接，就是对应引脚直接相连。两台微机进行短距离通信可以不使用调制解调器，而直接利用RS232C接口连接，如图1010所示，被称为零调制解调器（Null Modem）连接。 图1010 不用Modem的RS232C接口 10.3.3 RS232C电平转换电平转换1接口信号特性接口信号特性RS232C信号线提供15米以内单端线路的单向数据传输，最大数据传输速率为20Kb/s。逻辑0电平必须超过5 V，但不能高于15 V，逻辑1电平必须低于5V，但不能低于15 V。而TTL正逻辑：“0”： 0 2.4V；“1”： 3.6V+5V；

12、高阻：2.4V3.6V。TTL电平直接传输距离一般不超过1.5米。2集成电路电平转换器集成电路电平转换器MC1488、MC1489MC1488用于将TTL电平转换成RS232C电平；集成电路MC1489用于将RS232C电平转换成TTL电平。3集成电路电平转换器TC232/MAX232它即能将RS232C电平转换成TTL电平，也能将TTL电平转换成RS232C电平，而且只需要单+5V电源。 10.3.4 RS422、RS423和和RS485接口标准接口标准 1RS422标准RS422标准是一种以平衡方式传输的标准。所谓平衡，是指双端发送和双端接收，所以，传送信号要用两条线AA和BB，发送端和接

13、收端分别采用平衡发送器和差分接收器，如图1013所示。 图1013 RS422标准传输线的连接 2RS423标准RS423 标准是非平衡方式传输的，即单端线传送信号，规定信号参考电平为地，这一点与RS232C兼容。该标准规定电路中只允许有1个单端发送器，但可有多个接收器。因此，允许在发送器和接收器之间有一个电位差，如图1014所示。 图1014 RS423标准传输线的连接 3RS485接口标准 RS485是一种平衡传输方式的串行接口标准，它和RS422兼容，并已扩展了RS422的功能。两者主要差别是：RS422只允许电路中有一个发送器，而RS485标准允许有多个发送器。RS485是一个多发送器

14、的标准，并且允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器组合单元。RS485的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可挂在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一条传输线的多点应用，其配置如图1015所示。图10-15 典型的RS485共线配置10.3.5 RS422和和RS423接口电平调整接口电平调整1RS422接口电平调整图10-16 RS-422 接口信号电平调整电路 2RS423接口电平调整图10-17 RS-423 接口信号电平调整电路10.4 可编程串行通信接口芯片可编程串行通信接口芯

15、片8251A 10.4.1 通用可编程串行通信接口芯片通用可编程串行通信接口芯片8251A 其基本性能如下：（1）通过编程，可以工作在同步方式，也可以工作在异步方式；在同步方式下，波特率为064KBaud，在异步方式下，波特率为019.2KBaud。（2）在同步方式时，可以用5位、6位、7位或8位来代表1个字符，并且内部能自动检测同步字符，从而实现同步。此外，8251A还允许在同步方式下增加奇/偶校验位进行校验。（3）在异步方式时，可以用5位、6位、7位或8位来代表1个字符，用1位作奇偶校验。此外，能根据编程为每个字符设置1个、1.5个或2个停止位。（4）全双工双缓冲的接收/发送器。（5）具有

16、奇偶、溢出和帧错误三种校验电路。（6）所有的输入输出电路都与TTL电平兼容。 10.4.2 8251A的内部结构和引脚的内部结构和引脚8251A 的引脚如图10-18所示，内部结构如图10-19所示。图10-18 8251A的引脚图10-19 8251A的内部结构8251A的内部分为数据总线缓冲器、读/写控制逻辑、发送器、接收器和调制解调器控制几部分。下面分别予以说明。（1）数据总线缓冲器数据总线缓冲器是三态双向8位缓冲器，它是8251A与微机系统数据总线的接口，数据、控制命令及状态信息均通过此缓冲器传送。与数据总线缓冲器有关的引脚有D7D0。（2）读/写控制逻辑读/写控制逻辑用来配合数据总线

17、缓冲器工作，接收各类读/写控制信号。与读/写控制逻辑相关的引脚有以下几个。RESET：复位信号，输入，高电平有效。在此引脚上加上宽度为时钟6倍的高电平信号后，8251A就进入空闲状态，即复位，复位后各寄存器处于复位状态，收、发线路均处于空闲状态。通常该信号与系统的复位线相连。CLK：工作时钟，输入，由外部时钟源提供，为芯片内部电路提供定时，并非发送或接收数据的时钟。CLK的周期为0.421.35s。为了电路可靠，CLK的时钟频率至少应是发送接收时钟的30倍（同步方式）或4.5倍（异步方式）。XT C ：写信号，输入，低电平有效。有效时表示CPU正把控制字或数据写入8251A。WR ：读信号，输

18、入，低电平有效。有效时表示CPU正从8251A读入数据或状态信息。 (Control/Data)：控制数据信号，输入。此信号用来判别数据总线上的信息流是控制字还是数据。 1，传送的是命令、控制、状态等控制字； =0，传送的是数据。通常将此端与微机系统地址线的A0相连，于是8251A占有两个端口地址，偶地址是数据端口，奇地址是控制端口。RDC DC DC D ：片选信号，输入，低电平有效。 有效时表示8251A已被选中，可进行读/写操作；处于高电平时，则数据总线处于高阻状态，此时 、 变化对8251A没有影响。CSCSWRRD读/写控制逻辑对CPU输出的控制信号进行译码以实现表10-4所示的读/

19、写功能。表 10-4（3）调制解调器控制电路 (Data Set Ready)：数据装置准备好信号，这是一个来自外设的输入信号，低电平有效，表示外设已经准备好发送数据。CPU可通过读取8251A的状态寄存器的位来检测该信号。 (Data Terminal Ready)：数据终端准备好信号，这是8251A送往外设的输出信号，低电平有效。用以表示CPU已经准备好接收数据，可通过对8251A的初始化编程，即使命令控制字寄存器的位置1，使其变为有效。DSRDTR (Request to Send)：请求发送信号，由8251A送往外设的信号，低电平有效。CPU可以通过对8251A的初始化编程使其有效，即

20、使命令控制字寄存器的D5位置1，以表示CPU已经准备好发送数据。 (Clear to Send)：清除请求发送信号，来自外设的输入信号，低电平有效。这是调制解调器或外设对RT S的响应信号，当其有效且 （命令控制字寄存器的D0位）=1时8251A才能执行发送操作。RTSCTSxT EN（4）发送器发送器负责将并行数据转换为串行数据并插入同步字符或起始位、结束位、校验信息（依据通信方式不同而不同），然后在 的下降沿从串行通信线（ ）发送出去。 xT CxT D ：发送时钟信号，输入。对于同步方式， 的时钟频率应等于发送数据的波特率。对于异步方式， 的时钟频率可是发送波特率的1倍、16倍或64倍，

21、取决于方式控制字的设置。xT CxT CxT C ：数据发送引脚，输出，由CPU送来的并行数据在这条线上被串行地发送往外部设备。 xT D ：发送器准备好信号，输出，高电平有效。当8251A处于允许发送状态（即 被置位，为高电平）并且发送缓冲器为空时，则 输出高电平，表明当前8251A已经作好了发送准备，此时CPU可以往8251A传送一个数据。在中断方式下， 可作为向CPU发出的中断请求信号；在查询方式下，则 作为状态寄存器中的D0位状态信息供CPU检测。当8251A从CPU接收了一个数据后， 输出线变为低电平，同时状态位被复位。 xT RDYxT ENxT RDYxT RDYxT RDYxT

22、 RDY ：发送器空信号，输出，高电平有效。 =1，表示发送器空、一个发送动作的完成，CPU可向8251A的发送缓冲器写入数据。xT EMPTYxT EMPTY发送器的工作过程如下：当命令字寄存器中的TxEN=1（D0位）且引脚 =0时，才能开始发送过程。首先，CPU向8251A写入发送数据，数据以并行格式存于8251A的发送缓冲器内，然后并串转换电路从发送缓冲器中取出数据并将其转变为串行格式，最后沿TxD引脚发送出去。当数据从发送缓冲器移入并串转换电路后，8251A即可以接收下一个发送数据，此时TxRDY引脚变为有效。当数据真正从TxD引脚上发送出去后，TxEMPTY引脚变为有效。CTS在异

23、步方式下，8251A在发送一个字符时自动添加一个起始位，并按软件要求初始化编程时的设定）添加奇偶校验位和结束位。在同步方式下，8251A会按软件要求（初始化编程时的设定）先发送一个或两个同步字符，然后再发送数据块。在发送完数据块后，若程序要求添加奇偶校验位；8251A会在数据后添加奇偶校验位；若程序不要求添加，则8251A不会添加任何附加位。同步发送时，会遇到这样的情况，8251A正在发送数据，而CPU却来不及提供新的数据给8251A，这时，8251A的发送器会自动插入同步字符，以满足同步发送时不允许被传送的字符间存在间隙的要求。（5）接收器接收器负责从串行通信线上接收串行数据，并完成相关的错

24、误检测、串并转换、按指定的方式（字符格式）装配成并行数据，等待CPU读取等。 ：接收时钟信号，输入。在同步方式时， 的时钟频率等于接收波特率；在异步方式时， 的时钟频率可是接收波特率的1倍、16倍或64倍，取决于方式控制字的设置。 ：数据接收端，输入。接收由外设发来的串行数据。xR CxR CxR CXR D ：接收器准备好信号，输出，高电平有效。 =1表示8251A已接收到一个数据，正等待CPU取走。在中断方式下，此引脚可作为中断请求信号；在查询方式下，此引脚可作为联系信号。当CPU从8251A读取一个字符后，此引脚变为无效，直到再接收到一个新字符为止。SYNDET/BRKDET：同步或中止

25、符检测信号，高电平有效。 xR RDYxR RDY在同步方式下，SYNDET是同步检测信号，该信号既可工作在输入状态也可工作在输出状态。内同步工作时，该信号为输出信号。当SYNDET=1，表示8251A已经监测到所要求的同步字符。若为双同步，此信号在传输第二个同步字符的最后一位的中间变高，表明已经达到同步。外同步工作时，该信号为输入信号。当从SYNDET端输入一个高电平信号，接收控制电路会立即脱离对同步字符的搜索过程，开始接收数据。在异步方式下，BRKDET作为中止符检测信号，当8251A检测到对方发送的用来表示中止的字符时，则从该端输出一个高电平，同时将状态寄存器的SYNDET/BRKDET

26、位置“1”。接收器的工作过程如下：当命令控制字的“允许接收”位RxE（D2位）和“准备好接收数据”位DTR（D1位）有效时，接收控制器开始监视RxD线。外设数据从RxD端逐位进入串并缓冲器中，接收中对同步和异步两种方式采用不同的处理过程。异步方式时，当发现RxD线上的电平由高电平变为低电平时，认为是起始位到来，然后接收器开始接收一帧信息。接收到的信息经过删除起始位和停止位，把已转换成的并行数据置入接收数据缓冲器。同步方式时，当检测到同步字符后，在接收时钟的同步下，开始接收数据。RxD线上的数据送入串并缓冲器，按规定的位数将它组装成并行数据，再把它送至接收数据缓冲器中。当接收数据缓冲器接收到由外设传送来的数据后，发出“接收准备就绪”RxRDY信号，通知CPU取走数据。 10.4.3 8251A与与CPU 及外设的连接及外设的连接8251A与CPU 及