一文详解串口&握手的基础知识

01

【串口基础知识】

串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线Universal Serial Bus或者USB混淆）。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总常不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。

典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配：

1、波特率

这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。

2、数据位

这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。扩展的ASCII码是0～255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准 ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。

3、停止位

用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

4、奇偶校验位

在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。

02

【握手基础知识】

RS-232通行方式允许简单连接三线：Tx、Rx和地线。但是对于数据传输，双方必须对数据定时采用使用相同的波特率。尽管这种方法对于大多数应用已经足够，但是对于接收方过载的情况这种使用受到限制。这时需要串口的握手功能。在这一部分，我们讨论三种最常用的RS-232握手形式：软件握手、硬件握手和Xmodem。

1、软件握手

我们讨论的第一种握手是软件握手。通常用在实际数据是控制字符的情况，类似于GPIB使用命令字符串的方式。必须的线仍然是三根：Tx、Rx和地线，因为控制字符在传输线上和普通字符没有区别，函数SetXModem允许用户使能或者禁止用户使用两个控制字符XON和OXFF。这些字符在通信中由接收方发送，使发送方暂停。

例如：假设发送方以高波特率发送数据。在传输中，接收方发现由于CPU忙于其他工作，输入buffer已经满了。为了暂时停止传输，接收方发送XOFF，典型的值是十进制19，即十六进制13，直到输入buffer空了。一旦接收方准备好接收，它发送XON，典型的值是十进制17，即十六进制11，继续通信。输入buffer半满时，LabWindows发送XOFF。此外，如果XOFF传输被打断，LabWindows会在buffer达到75％和90％时发送XOFF。显然，发送方必须遵循此守则以保证传输继续。

2、硬件握手

第二种是使用硬件线握手。和Tx和Rx线一样，RTS/CTS和DTR/DSR一起工作，一个作为输出，另一个作为输入。第一组线是RTS （Request to Send）和CTS（Clear to Send）。当接收方准备好接收数据，它置高RTS线表示它准备好了，如果发送方也就绪，它置高CTS，表示它即将发送数据。另一组线是DTR（Data Terminal Ready）和DSR（Data Set Ready）。这些现主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他们的状态。例如：当Modem已经准备好接收来自PC的数据，它置高DTR线，表示和电话线的连接已经建立。读取DSR线置高，PC机开始发送数据。一个简单的规则是DTR/DSR用于表示系统通信就绪，而RTS/CTS用于单个数据包的传输。

在LabWindows，函数SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。如果CTS模式使能，LabWindows使用如下规则：当PC发送数据：RS-232库必须检测CTS线高后才能发送数据。

当PC接收数据：
如果端口打开，且输入队列有空接收数据，库函数置高RTS和DTR。
如果输入队列90％满，库函数置低RTS，但使DTR维持高电平。
如果端口队列近乎空了，库函数置高RTS，但使DRT维持高电平。
如果端口关闭，库函数置低RTS和DTR。

3、XModem握手

最后讨论的握手叫做XModem文件传输协议。这个协议在Modem通信中非常通用。尽管它通常使用在Modem通信中，XModem协议能够直接在其他遵循这个协议的设备通信中使用。在LabWindows中，实际的XModem应用对用户隐藏了。只要PC和其他设备使用XModem协议，在文件传输中就使用LabWindows的XModem函数。函数是XModemConfig，XModemSend和XModemReceive。

XModem使用介于如下参数的协议：start_of_data、end_of_data、neg_ack、wait_delay、 start_delay、max_tries、packet_size。这些参数需要通信双方认定，标准的XModem有一个标准的定义：然而，可以通过 XModemConfig函数修改，以满足具体需要。这些参数的使用方法由接收方发送的字符neg_ack确定。这通知发送方其准备接收数据。它开始尝试发送，有一个超时参数start_delay；当超时的尝试超过max_ties次数，或者收到接收方发送的start_of_data，发送方停止尝试。如果从发送方收到start_of_data，接收方将读取后继信息数据包。

包中含有包的数目、包数目的补码作为错误校验、packet_size字节大小的实际数据包，和进一步错误检查的求和校验值。在读取数据后，接收方会调用wait_delay，然后想发送方发送响应。如果发送方没有收到响应，它会重新发送数据包，直到收到响应或者超过重发次数的最大值max_tries。如果一直没有收到响应，发送方通知用户传输数据失败。

由于数据必须以pack_size个字节按包发送，当最后一个数据包发送时，如果数据不够放满一个数据包，后面会填充ASCII码NULL（0）字节。这导致接收的数据比原数据多。在XModem情况下一定不要使用XON/XOFF，因为XModem发送方发出包的数目很可能增加到XON/OFF控制字符的值，从而导致通信故障。

审核编辑：刘清