RS-232串行通信与单片机接口简介

在这一课里，我们一起来学习RS-232C串行通信相关标准及单片机和电脑的RS-232C串行通信接口技术简介，为学习和开发单片机串口通信应用系统打好基础，希望大家在看完这篇文章后对串行通信有初步的认识。

【通信基本概念】

什么是通信？简单地说，不同的系统经由线路相互交换数据，就是通信。通信的主要目的是将数据从一端传送到另一端，达到数据交换的目的。例如，从人与人之间的对话、计算机与设备之间的数据交换到计算机与计算机间的数据传送，乃至于广播或卫星都是通信的一种，一个完整的通信系统包括发送端、接收端、转换数据的接口及传送数据的实际信道。

【通信的种类】

按照通信的形式可以分为两种，其中一种为并行传输的通信，即并行通信（Parallel Communication），另一种则为串行通信（Serisl Communication）。这两种通信方式的区别是，并行通信一次的传输数据量为8位（1个字节）；而串行通信则一次只能传输1位，传输1字节数据（8位）数据就需要8次才能传出去，因此，它们两者之间的数据传输速度就相差8倍。看到这里，估计有些朋友会问，既然并行通信的速度是串行通信的8倍，是不是串行通信就不好了？！其实不能这么认为，两种通信方式各有特点，串行通信之所以存活了这么长时间，自然有它的长处。

串行通信一次只传输1位，相对来说，要处理的数据电压只有一个，因此比较不容易漏失数据，通信时候再加上一些校验防范措施后，串行通信的出错就更不容易了，串行通信端口（Serisl Communication Port）在系统控制的范畴中一直占有极其重要的角色，不仅没有因为时代的进步而被淘汰，反而失在规格上愈来愈向其极限挑战，下面我们重点来介绍RS-232C串行通信。


并行通信虽然可以在一次的数据传输中传送8位，但是数据电压在传送的过程中，容易因为线路及干扰因素使得电压准电位发生变化（主要为电压衰减和信号间相互干扰问题），因而使得传输数据发生错误，通信距离越长，问题越明显，因此并行通信主要用于传输距离较短的场合，如电脑主板的并口LPT1，主要和并行打印机通信。


【RS-232串行通信】

一、RS-232C标准介绍

RS-232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广泛的标准总线。RS-232C 标准（协议）的全称是EIA-RS-232C 标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，其中RS是Recommended Standard的缩写，代表推赠标准，232是标识符，C代表RS-232的最新一次修改（1969年），在这之前，有过RS-232A、RS-232B标准，它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。现在，计算机上的串行通信端口（RS-232）是标准配置端口，已经得到广泛应用，计算机上一般都有1～2个标准RS-232C串口，即通道COM1和COM2。下图为计算机主板上的两个RS-232通信端口图片及端口属性，我们一般可以从计算机后面查看到本机的通信端口。

 

		计算机的RS-232串行通信接口图片 如左图所示，我们可以从操作系统的设备管理器中查看电脑的通信端口属性，进入计算机的：控制面板 -> 系统 -> 硬件 -> 设备管理器 -> 端口，就可以看到自己电脑通信端口，在图中显示了这台计算机有1个ECP打印机并行通信端口LPT1和2个RS-232串行通信端口COM1和COM2。只要显示的端口名称前面没有黄色的惊叹号的话，就表示这个端口是可以使用的。

 

二、RS-232C电气特性

EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了明确规定。

在TXD和RXD引脚上电平定义：逻辑1(MARK) ＝ -3V～-15V
逻辑0(SPACE) ＝ ＋3～＋15V

在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD等控制线上电平定义：
信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V
信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V～-15V

以上规定说明了RS-232C 标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”的传输的电平为-3V～-15V，逻辑“0”传输的电平为+3V～+15V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平为+3V～+15V，断开状态(OFF)即信号无效的电平为-3V～-15V，也就是当传输电平的绝对值大于3V 时，电路可以有效地检查出来；而介于-3～+3V之间的电压即处于模糊区电位，此部分电压将使得计算机无法准确判断传输信号的意义，可能会得到0，也可能会得到1，如此得到的结果是不可信的，在通信时候体现的是会出现大量误码，造成通信失败。因此，实际工作时，应保证传输的电平在±(3～15)V 之间。

三、RS-232C机械连接器及引脚定义

目前，大部分计算机的RS-232C通信接口都使用了DB9连接器，如上面图中所示，主板的接口连接器有9根针输出（RS-232公头），也有些比较旧的计算机使用DB25连接器输出，下面我们来介绍DB9和DB25输出接口的引脚定义。

 

RS-232C串口引脚定义表

9针RS-232串口（DB9）   . 25针RS-232串口（DB25） 引脚 简写 功能说明 引脚 简写 功能说明 1 CD 载波侦测（Carrier Detect） 8 CD 载波侦测（Carrier Detect） 2 RXD 接收数据（Receive） 3 RXD 接收数据（Receive） 3 TXD 发送数据（Transmit） 2 TXD 发送数据（Transmit） 4 DTR 数据终端准备（Data Terminal Ready） 20 DTR 数据终端准备（Data Terminal Ready） 5 GND 地线（Ground） 7 GND 地线（Ground） 6 DSR 数据准备好（Data Set Ready） 6 DSR 数据准备好（Data Set Ready） 7 RTS 请求发送（Request To Send） 4 RTS 请求发送（Request To Send） 8 CTS 清除发送（Clear To Send） 5 CTS 清除发送（Clear To Send） 9 RI 振铃指示（Ring Indicator） 22 RI 振铃指示（Ring Indicator）

 

四、RS-232C的通信距离和速度

RS-232规定最大的负载电容为2500pF，这个电容限制了传输距离和传输速率，由于RS-232C的发送器和接收器之间具有公共信号地（GND），属于非平衡电压型传输电路，不使用差分信号传输，因此不具备抗共模干扰的能力，共模噪声会耦合到信号中，在不使用调制解调器（MODEM）时，RS-232能够可靠进行数据传输的最大通信距离为15米，对于RS232远程通信，必须通过调制解调器进行远程通信连接。

现在个人计算机所提供的串行端口的传输速度一般都可以达到115200bps甚至更高，标准串口能够提供的传输速度主要有以下波特率：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps等，在仪器仪表或工业控制场合，9600bps是最常见的传输速度，在传输距离较近时，使用最高传输速度也是可以的。传输距离与传输速度的关系成反比，适当地降低传输速度，可以延长RS-232的传输距离，提高通信的稳定性。

五、RS-232电平转换芯片及电路

RS-232C 规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不同的，例如：RS-232的逻辑“1”是以-3～-15V来表示的，而单片机的逻辑“1”是以+5V来表示的，两者完全不同。因此，单片机系统要和电脑的RS-232接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL电平）转换成计算机的RS-232C电平，或者把计算机的RS-232C电平转换成单片机的TTL电平，通信时候必须对两种电平进行转换。实现这种转换的方法可以使用分立元件，也可以使用专用RS-232电平转换芯片。目前较为广泛地使用专用电平转换芯片，如MC1488、MC1489、MAX232等电平转换芯片来实现EIA到TTL电平的转换。下面来介绍MAXIM公司的单电源电平转换芯片MAX232及接口电路。

如下面图中所示，MAX232是单电源双RS-232发送/接收芯片，采用单一 +5V电源供电，外接只需4个电容，便可以构成标准的RS-232通信接口，硬件接口简单，所以被广泛采用， 其主要特性如下：

主要特点：
1、符合所有的RS-232C技术规范
2、只要单一 +5V电源供电
3、片载电荷泵，具有升压、电压极性反转能力，能够产生 +10V 和 -10V电压V+、V-
4、低功耗，典型供电电流5mA
5、内部集成2个RS-232C驱动器
6、内部集成2个RS-232C接收器

 

MAX232CPE 引脚结构
MAX232芯片实物图片		MAX232芯片引脚排列

 

单片机和计算机RS-232接口电路如下图所示，图中的C1、C2、C3、C4是电荷泵升压及电压反转部分电路，产生V+、V-电源供EIA电平转换使用，C5是VCC对地去耦电容，其值为0.1UF，电容C1～C5安装时必须尽量靠近MAX232芯片引脚，以提高抗干扰能力。

 

采用MAX232CPE 芯片的PC机与MCS-51单片机串行通信接口电路

 

 

采用分立元件的简易RS-232C通信接口电路