前言

最近在做一個通過ESP8266和STM32通訊從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，中間需要用到串口來發(fā)送報(bào)文，通過報(bào)文來實(shí)現(xiàn)兩者之間的通訊。

今天剛好趁著這個機(jī)會來給大家講解一下串行通訊，希望能給大家以后的學(xué)習(xí)提供一些思路。

串行通訊介紹

串口通信線最少需要2根（GND和信號線），可以實(shí)現(xiàn)單工通信，也可以使用3根通信線（Tx、Rx、GND）來實(shí)現(xiàn)全雙工。

通過串口不管發(fā)數(shù)字、文本還是命令，都要先對發(fā)送內(nèi)容進(jìn)行編碼，編碼成二進(jìn)制再進(jìn)行逐個位的發(fā)送。我們使用串口發(fā)送的一般都是字符，都是ASCII碼編碼后的字符，所以一般設(shè)置數(shù)據(jù)位都是8，方便剛好一幀發(fā)送1個字符。

那么現(xiàn)在我們就知道了，如果我們想要串口進(jìn)行通訊，我們首先需要將我們想要發(fā)送的信息轉(zhuǎn)換成為ASCII碼，再通過串口線將信息以二進(jìn)制的形式發(fā)送出去。

UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每一個字符一位一位地傳輸，也就是我們上面說的ASCII碼編碼。其中每一位（bit）的意義如下：

起始位：先發(fā)出一個邏輯“0”的信號，表示傳輸字符開始。

數(shù)據(jù)位：緊接著起始位之后。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構(gòu)成一個字符。

奇偶校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)），依次來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。

停止位：它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。可以是1位、1.5位、2位的高電平。

空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有數(shù)據(jù)傳輸。

其中數(shù)據(jù)位通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鐘定位。

串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕灸Ｊ?/p>

二進(jìn)制脈沖用于串行數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)傳輸。二進(jìn)制數(shù)字一由五伏或高邏輯表示。相反，二進(jìn)制零表示為邏輯低電平或零伏。為了實(shí)現(xiàn)串行通信，需要源和目標(biāo)。他們也被稱為發(fā)送者和接收者。可以采用各種類型的串行通信，并指定為單工、半雙工和全雙工。

Simplex 方法單向數(shù)據(jù)傳輸。在此方案中，在任何給定時間只有源或目標(biāo)處于活動狀態(tài)。如果源正在發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方別無選擇，只能接受傳輸。廣播電視或無線電信號時使用單工模式。

半雙工模式允許源和目標(biāo)都處于活動狀態(tài)，但不能同時處于活動狀態(tài)。傳輸一次只發(fā)生在一個方向。使用互聯(lián)網(wǎng)時可以看到一個恰當(dāng)?shù)睦?。?dāng)您從計(jì)算機(jī)發(fā)出網(wǎng)頁請求時，服務(wù)器會處理該請求。然后，當(dāng)將信息返回到您的計(jì)算機(jī)（現(xiàn)在是接收方）時，它就成為發(fā)送方。

全雙工模式是世界上使用最廣泛的串行通信形式。源和目標(biāo)都處于活動狀態(tài)，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。您的智能手機(jī)是全雙工模式實(shí)際應(yīng)用的典型示例。

討論串行通信時的另一個考慮因素是兩臺主機(jī)的協(xié)議和字節(jié)順序。字節(jié)順序是指使用特定的內(nèi)存地址來存儲數(shù)據(jù)的方法。這是將數(shù)據(jù)存儲在特定內(nèi)存地址的方式。關(guān)于數(shù)據(jù)對齊字節(jié)序有兩種分類。

UART串口通信的工作原理

（1）發(fā)送數(shù)據(jù)過程

空閑狀態(tài)，線路處于高電平；當(dāng)收到發(fā)送指令后，拉低線路的一個數(shù)據(jù)位的時間T，接著數(shù)據(jù)按低位到高位依次發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，接著發(fā)送奇偶校驗(yàn)位和停止位，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成。

（2）數(shù)據(jù)接收過程：

空閑狀態(tài)，線路處于高電平；當(dāng)檢測到線路的下降沿（高電平變?yōu)榈碗娖剑r說明線路有數(shù)據(jù)傳輸，按照約定的波特率從低位到高位接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完畢后，接著接收并比較奇偶校驗(yàn)位是否正確，如果正確則通知后續(xù)設(shè)備接收數(shù)據(jù)或存入緩沖。

串行通訊和并行通訊

在常見的通訊中有兩種基本的數(shù)據(jù)傳輸形式，分別是并行和串行通信。串行通信是逐位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它基本上使用兩根電線，一根用于發(fā)送器，另一根用于接收器。

串行通信：計(jì)算機(jī)與I/O設(shè)備之間，同一時刻，只能傳輸一個bit位的信號。傳輸數(shù)據(jù)按順序依次一bit位接一bit位進(jìn)行傳輸，通常數(shù)據(jù)在一根數(shù)據(jù)線或一對差分線上傳輸。

比如，當(dāng)傳輸1字節(jié)信息時，并行通訊有8根信號線實(shí)現(xiàn)同時傳輸，假如耗時為1T，而串行是在一根信號線上，把數(shù)據(jù)排成一行、一位一位傳輸，需要傳8次，因此耗時為8T。

并行通信：計(jì)算機(jī)與I/O設(shè)備之間，通過多條傳輸線，可以同時傳輸多個bit位的信號。

并行通訊的效率高，但是成本高、對信號線路要求高，一般應(yīng)用于快速設(shè)備之間近距離傳輸，譬如CPU 與存儲設(shè)備、存儲器與存儲器、主機(jī)與打印機(jī)等都采用并行通訊。

串行通訊效率較低，但是對信號線路要求低，抗干擾能力強(qiáng)，同時成本也相對較低，一般用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間遠(yuǎn)距離通訊。

單片機(jī)中的串口通訊

大家需要注意這里的串口通訊和我們上面談到的串行通訊不是一個東西，串口通訊是串行通訊中的一種，在單片機(jī)調(diào)試中非常常見，也是學(xué)習(xí)單片機(jī)必須進(jìn)行學(xué)習(xí)的知識，這里我們以單片機(jī)中常用的RS-232串口來進(jìn)行講解。

在上面的通訊方式中，兩個通訊設(shè)備之間通過串口信號線建立起連接，串口信號線中使用"RS-232標(biāo)準(zhǔn)"傳輸數(shù)據(jù)信號。由于RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經(jīng)過一個"電平轉(zhuǎn)換芯片"轉(zhuǎn)換成控制器能識別的"TTL校準(zhǔn)"的電平信號，才能實(shí)現(xiàn)通訊。

我們知道常見的電子電路中常使用TTL的電平標(biāo)準(zhǔn)，理想狀態(tài)下，使用5V表示二進(jìn)制邏輯1，使用0V表示邏輯0；而為了增加串口通訊的遠(yuǎn)距離傳輸及抗干擾能力，它使用-15V表示邏輯1，+15V表示邏輯0。

因?yàn)榭刂破饕话闶褂肨TL電平標(biāo)準(zhǔn)，所以常常會使用CH340芯片對TTL及RS-232電平的信號進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換。

分析串口通訊波形

在分析波形之前我們先來看一些基礎(chǔ)概念，這樣有利于我們對波形的分析：

起始位:先發(fā)出一個邏輯”0”的信號，表示傳輸數(shù)據(jù)的開始。

校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))，以此來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。就比如傳輸“A”(01000001)為例。(字符‘A’的二進(jìn)制是 0100 0001)此位還可以去除，即不需要奇偶校驗(yàn)位。

當(dāng)為奇數(shù)校驗(yàn)：”A”字符的8個bit位中有兩個1,那么奇偶校驗(yàn)位為1才能滿足1的個數(shù)為奇數(shù)(奇校驗(yàn))。

當(dāng)為偶數(shù)校驗(yàn)：”A”字符的8個bit位中有兩個1,那么奇偶校驗(yàn)位為0才能滿足1的個數(shù)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))。

停止位：它是一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?bit、1.5bit、2bit的空閑電平。

空閑位：沒有數(shù)據(jù)傳輸時線路上的電平狀態(tài)，為邏輯1。

傳輸方向：即數(shù)據(jù)是從高位(MSB)開始傳輸還是從低位(LSB)開始傳輸。

uart數(shù)據(jù)傳輸格式：剛開始傳輸一個起始位——傳輸數(shù)據(jù)位——校驗(yàn)位(可不需要此位)——停止位。這樣一幀的數(shù)據(jù)就傳輸完了。接下來接著像這樣一直傳送。

波形1

用串口工具發(fā)送0XD6，即二級制 1101 0110 ，在示波器上如此顯示。

串口設(shè)置：波特率9600，停止位1位，無奇偶校驗(yàn)位。

波形如圖所示：

由示波器可以看出，最左邊一個低電平表示0，起始位；然后依次是0110 1011，正好和發(fā)送的數(shù)據(jù)最高位和最低位反過來，至于為什么會反過來我們上面也介紹過了，相比大家也能夠理解。

波形2

用串口發(fā)送0x75,就是二進(jìn)制 0111 0101，如下圖所示。

串口設(shè)置：波特率9600，停止位1位，無奇偶校驗(yàn)位。

同理，最左側(cè)的為起始位，低電平0, 然后LSB傳輸。1010 1110依次傳輸?shù)绞静ㄆ鳌?/p>

波形3

用串口發(fā)送0x75,就是二進(jìn)制 0111 0101，

串口設(shè)置：波特率9600，停止位1位，奇校驗(yàn)。

奇校驗(yàn)就是要保證這一幀里的所有BIT 有1的數(shù)為奇數(shù)，0x75已經(jīng)有5個1了，所以奇偶校驗(yàn)位為0即可。

如果為偶校驗(yàn)，那么最后一位應(yīng)該是高電平1，就會有6個1，以此保證所有的1的數(shù)量為偶數(shù)。

波形4

連發(fā)發(fā)送兩個16進(jìn)制數(shù)據(jù)0x75(0111 0101) 0x6B (0110 1011)

串口設(shè)置：波特率9600，停止位1位，無奇偶校驗(yàn)位。

結(jié)語

當(dāng)然串行通訊不僅這一種，還是很多其他的例如I2C、SPI、CAN等，大家可以多了解一下，每個通訊方法都有著自己的通訊協(xié)議，我們?nèi)绻胍褂玫脑捫枰鶕?jù)自己實(shí)際需求，選擇合適的通訊方式。

審核編輯 ：李倩