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[導(dǎo)讀]串口是“串行接口”的簡稱,即采用串行通信方式的接口。串行通信將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條數(shù)據(jù)線上逐個傳送,其特點是通信線路簡單,但傳輸速度較慢。因此串口廣泛應(yīng)用于嵌入式、工業(yè)控制等領(lǐng)域中對數(shù)據(jù)傳輸速度要求不高的場合。串行通信分為兩種方式:同步串行通信和異步串行通信。同步串行通信需要通信雙方在同一時鐘的控制下,同步傳輸數(shù)據(jù);異步串行通信是指通信雙方使用各自的時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。UART是一種采用異步串行通信方式的通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver-transmitter),它在發(fā)送數(shù)據(jù)時將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)來傳輸,在接收數(shù)據(jù)時將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。UART串口通信需要兩根信號線來實現(xiàn),一根用于串口發(fā)送,另外一根負(fù)責(zé)串口接收。UART在發(fā)送或接收過程中的一幀數(shù)據(jù)由4部分組成,起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位,如下圖所示。其中,起始位標(biāo)志著一幀數(shù)據(jù)的開始,停止位標(biāo)志著一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束,數(shù)據(jù)位是一幀數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)。校驗位分為奇校驗和偶校驗,用于檢驗數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出錯。奇校驗時,發(fā)送方應(yīng)使數(shù)據(jù)位中1的個數(shù)與校驗位中1的個數(shù)之和為奇數(shù);接收方在接收數(shù)據(jù)時,對1的個數(shù)進(jìn)行檢查,若不為奇數(shù),則說明數(shù)據(jù)在傳輸過程中出了差錯。同樣,偶校驗則檢查1的個數(shù)是否為偶數(shù)。

1. 串口介紹

串口是“串行接口”的簡稱,即采用串行通信方式的接口。串行通信將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條數(shù)據(jù)線上逐個傳送,其特點是通信線路簡單,但傳輸速度較慢。因此串口廣泛應(yīng)用于嵌入式、工業(yè)控制等領(lǐng)域中對數(shù)據(jù)傳輸速度要求不高的場合。串行通信分為兩種方式:同步串行通信和異步串行通信。同步串行通信需要通信雙方在同一時鐘的控制下,同步傳輸數(shù)據(jù);異步串行通信是指通信雙方使用各自的時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。UART是一種采用異步串行通信方式的通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver-transmitter),它在發(fā)送數(shù)據(jù)時將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)來傳輸,在接收數(shù)據(jù)時將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。UART串口通信需要兩根信號線來實現(xiàn),一根用于串口發(fā)送,另外一根負(fù)責(zé)串口接收。UART在發(fā)送或接收過程中的一幀數(shù)據(jù)由4部分組成,起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位,如下圖所示。其中,起始位標(biāo)志著一幀數(shù)據(jù)的開始,停止位標(biāo)志著一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束,數(shù)據(jù)位是一幀數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)。校驗位分為奇校驗和偶校驗,用于檢驗數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出錯。奇校驗時,發(fā)送方應(yīng)使數(shù)據(jù)位中1的個數(shù)與校驗位中1的個數(shù)之和為奇數(shù);接收方在接收數(shù)據(jù)時,對1的個數(shù)進(jìn)行檢查,若不為奇數(shù),則說明數(shù)據(jù)在傳輸過程中出了差錯。同樣,偶校驗則檢查1的個數(shù)是否為偶數(shù)。異步串行通信數(shù)據(jù)格式圖如上圖所示,UART通信過程中的數(shù)據(jù)格式及傳輸速率是可設(shè)置的,為了正確的通信,收發(fā)雙方應(yīng)約定并遵循同樣的設(shè)置。數(shù)據(jù)位可選擇為5、6、7、8位,其中8位數(shù)據(jù)位是最常用的,在實際應(yīng)用中一般都選擇8位數(shù)據(jù)位;校驗位可選擇奇校驗、偶校驗或者無校驗位;停止位可選擇1位(默認(rèn)),1.5或2位。串口通信的速率用波特率表示,它表示每秒傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù),單位是bps(位/秒),常用的波特率有9600、19200、38400、57600以及115200等。在設(shè)置好數(shù)據(jù)格式及傳輸速率之后,UART負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換,而信號的傳輸則由外部驅(qū)動電路實現(xiàn)。電信號的傳輸過程有著不同的電平標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范,針對異步串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)有RS232、RS422、RS485等,它們定義了接口不同的電氣特性,如 RS-232是單端輸入輸出,而RS-422/485 為差分輸入輸出等。2. 常見的串行通信接口針對異步串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)有RS232、RS422、RS485,其對比區(qū)別如下:RS-232,RS-422和RS-485也都是常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn),它們定義了接口不同的電氣特性,如 RS-232 是單端輸入輸出,而 RS-422/485為差分輸入輸出等。2. 串行通信傳輸方式串口通信過程中有單端傳輸與差分傳輸?shù)牟顒e。單端傳輸是指在發(fā)送或接收過程中,用信號線對地線的電壓值來表示邏輯“0”和“1”。而差分傳輸使用兩根信號線來傳輸一路信號,這兩根信號線上傳輸?shù)男盘柗迪嗟?,相位相?180 度(極性相反),用它們的差值來表示邏輯“0”和“1”,如下圖所示。


在傳輸過程中,當(dāng)信號線上疊加了頻率、幅值和相位都相同的干擾信號時(共模干擾),對于單端傳輸而言,由于地線電位為 0,則傳輸?shù)男盘柧桶烁蓴_信號;而在差分傳輸方式下,干擾可以通過兩個信號線上電壓的差值抵消,相當(dāng)于抑制了共模干擾,如下圖所示。因此相對于單端傳輸方式,差分傳輸大大提高了信號在傳輸過程中的抗干擾能力,但是需要多余的信號線來實現(xiàn)信號傳輸。


RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早,信號采用負(fù)邏輯電平、單端傳輸方式工作。通過一根信號線發(fā)送,一根信號線接收,加上一根地線,RS-232可實現(xiàn)全雙工通信。由于單端傳輸方式抗干擾能力差,導(dǎo)致RS-232 標(biāo)準(zhǔn)通信距離短(小于15米),數(shù)據(jù)傳輸速率低等問題。另外 RS-232僅支持一對一通信,存在無法實現(xiàn)多個設(shè)備互聯(lián)的缺點。RS-422由RS-232發(fā)展而來,它是為彌補 RS-232 之不足而提出的。RS-422 采用差分傳輸(又稱平衡傳輸)方式,將最大傳輸速率提高到 10Mbps;當(dāng)傳輸速率在100kbps以下時,傳輸距離可達(dá)1200米。由于采用差分傳輸方式,RS-422需要4根信號線來實現(xiàn)全雙工通信,兩根用于發(fā)送、兩根用于接收,一般會再加上一根地線。RS-422 允許在一條傳輸總線上連接最多10個接收器,從而實現(xiàn)單個設(shè)備發(fā)送,多個設(shè)備接收的功能。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍,在 RS-422 基礎(chǔ)上又制定了 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)。RS-485同樣采用差分傳輸方式,但是RS-485只有2根信號線,由發(fā)送和接收共用,因此發(fā)送和接收不能同時進(jìn)行,只能實現(xiàn)半雙工通信。RS-485增加了多點、雙向通信能力,即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上,各設(shè)備通過使能信號控制發(fā)送和接收過程。4. 單工、半雙工及全雙工之間的區(qū)別1、單工數(shù)據(jù)傳輸只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個方向上傳輸;在同一時間只有一方能接受或發(fā)送信息,不能實現(xiàn)雙向通信,舉例:電視,廣播。2、半雙工數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸,但是,在某一時刻,只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸,它實際上是一種切換方向的單工通信;在同一時間只可以有一方接受或發(fā)送信息,可以實現(xiàn)雙向通信。舉例:對講機(jī)。3、全雙工數(shù)據(jù)通信允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸,因此,全雙工通信是兩個單工通信方式的結(jié)合,它要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨立的接收和發(fā)送能力;在同一時間可以同時接受和發(fā)送信息,實現(xiàn)雙向通信,舉例:電話通信。

5. RS232基礎(chǔ)介紹

RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早,可實現(xiàn)全雙工工作方式,即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收可以同時進(jìn)行。在傳輸距離較短時(不超過15m),RS232是串行通信最常用的接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串口最常見的接口類型為DB9(如下圖1所示),工業(yè)控制領(lǐng)域中用到的工控機(jī)一般都配備多個串口,很多老式臺式機(jī)也都配有串口。但是筆記本電腦以及較新一點的臺式機(jī)都沒有串口,它們一般通過USB轉(zhuǎn)串口線來實現(xiàn)與外部設(shè)備的串口通信(如下圖2所示)。DB9 接口定義以及各引腳功能說明如圖,我們一般只用到其中的 2(RXD)、3(TXD)、5(GND)引腳,其他引腳在普通串口模式下一般不使用。3線連接中,使用TXD和RXD兩條數(shù)據(jù)線,無法實現(xiàn)硬件流控功能。

6. 典型硬件電路設(shè)計

SP3232的作用:ZYNQ PL端串口輸入輸出引腳為TTL電平,用3.3V代表邏輯“1”,0V 代表邏輯“0”;而計算機(jī)串口采用RS-232電平,它是負(fù)邏輯電平,即-15V~-5V 代表邏輯“1”,+5V~+15V 代表邏輯“0”。因此當(dāng)計算機(jī)與ZYNQ通信時,需要加電平轉(zhuǎn)換芯片SP3232,實現(xiàn)RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換。P1的座子的作用:SP3232芯片端口的U2_RX和U2_TX并沒有直接和ZYNQ的引腳相連接,而是連接到了P1排針上。RS232串口和RS485串口共用P1排針的UART2_TX和UART2_RX,而UART2_TX和UART2_RX是直接和ZYNQ的引腳相連接的。在使用時,使用跳線帽選擇與ZYNQ 相連接的串口類型,這樣的設(shè)計方式實現(xiàn)了有限IO的復(fù)用。因此,在做RS232的通信實驗時,需要使用杜邦線或者跳線帽將U2_RX和UART2_TX連接在一起,U2_TX和UART2_RX連接在一起。原理說明:
P1端子的3腳是連接FPGA的發(fā)送端,4腳是連接FPGA的接收端。COM2的2腳是接收數(shù)據(jù)端,3腳是發(fā)送數(shù)據(jù)端。發(fā)送數(shù)據(jù)的過程:如果我們想實現(xiàn)FPGA與外部的串口設(shè)備進(jìn)行通信。那我們就需要將串口的發(fā)送端與外部設(shè)備串口的接收端進(jìn)行連接。所以用跳線帽把P1的3腳和P1的1腳連接。另外,我們還需要把串口的接收端與外部的發(fā)送端連接,即把P1的2腳和P1的4腳連接。U1的11腳在芯片的內(nèi)部與14管腳連接,在這個過程中,完成了TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換。通過第14管腳連接到DB9的第二個管腳。DB9的2腳是接收數(shù)據(jù)端。DB9通過串口線與外部的串口設(shè)備進(jìn)行連接。接收數(shù)據(jù)的過程:外部的串口設(shè)備會發(fā)送數(shù)據(jù)通過串口線連接到DB9的第3管腳,數(shù)據(jù)通過SP3232管腳的13管腳,再連接到12管腳,在這個過程中,完成電平轉(zhuǎn)換的過程。最終數(shù)據(jù)會通過P2的2腳和4腳連接,送到FPGA的接收端。7. MAX232與MAX3232常用232電平轉(zhuǎn)換芯片的區(qū)別
  • MAX232是5V電壓供電的,而max3232是5v或3.3V電壓供電的。
  • MAX232功耗較大,供電電壓5V時,耗電5mA;而MAX3232功耗較小,供電電壓5V或3.3V時,耗電 0.3mA。
  • MAX232外接4個1uF電容;而MAX3232外接4個0.1uF電容。
  • MAX232一般民用產(chǎn)品應(yīng)用;而MAX3232一般軍用(如航天等對功耗要求苛刻的地方)。
  • 價格上略有差別。
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