串口协议及简单的串口通信（96-N-8-1 格式）

一、串口协议

（1）串口通信的定义

串口通信(Serial Communication)，是指外设和计算机间通过数据信号线、地线等按位进行传输数据的一种通信方式，属于串行通信方式。串口是一种接口标准，它规定了接口的电气标准，没有规定接口插件电缆以及使用的协议。

（2）接口标准

串口通信的接口标准有很多，有 RS-232C、RS-232、RS-422A、RS-485 等。常用的就是 RS-232 和 RS-485。RS-232其实是 RS-232C 的改进，原理是一样的。这里我们就以 RS-232C 接口进行分析。RS-232C 是 EIA（美国电子工业协会）1969 年修订 RS-232C 标准。

RS-232C定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。RS-232C 接口规定使用 25 针连接器，简称 DB25，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义，如下图所示：

RS-232C 还有一种 9 针的非标准连接器接口，简称 DB9。串口通信使用的大多都是 DB9 接口。DB25 和 DB9 接头有公头和母头之分，其中带针状的接头是公头，而带孔状的接头是母头。

从图中可以看到公头和母头的管脚定义顺序是不一样，这一点需要特别注意。这些管脚都有什么作用呢？9 针串口常用管脚的功能说明如下图所示：

数据通信最少需要3根线： TXD RXD GND
在串口通信中，通常我们只使用 2、3、5 三个管脚，即 TXD、RXD、GND，其他管脚功能大家看不明白也没关系。

（3）TTL 电平和 RS232 电平

一、TTL 电平标准

• 输入 L：<1.2V ；H：>2.0V
• 输出 L：<0.8V ；H：>2.4V

CPU输入低于1.2V就认为是0，高于2.0V就认为是1；输出低电平要小于0.8V，高电平要大于2.4V。

二、RS232 电平标准

在 TXD 和 RXD 数据线上：

• 逻辑 1 为 -3~-15V 的电压
• 逻辑 0 为 3~15V 的电压

在 RTS、CTS、DSR、DTR 和 DCD 等控制线上：

• 信号有效（ON 状态）为 3~15V 的电压
• 信号无效（OFF 状态）为-3~-15V 的电压

逻辑1的电平为-3～-15V，逻辑0的电平为+3～+15V，注意电平的定义反相了一次。

由此可见，RS-232 是用正负电压来表示逻辑状态，与晶体管-晶体管逻辑集成电路（TTL）以高低电平表示逻辑状态的规定正好相反。而我们 STM32 芯片使用的就是 TTL 电平，所以要实现 STM32 与计算机的串口通信，需要进行 TTL与 RS-232C 电平转换，通常使用的电平转换芯片是 MAX3232。

（4）串口通信

如果你要实现两台计算机串口通信，那么就需要一根交叉串口线，将 2 对 3、3 对 2、5 对 5 连接，交叉串口线一般两头都是母头。串口通信中还需要注意的是，串口数据收发线要交叉连接，计算机的 TXD要对应单片机的 RXD，计算机的 RXD 要对应单片机的 TXD，并且共 GND，如下图：

A给B发信息：Hi
ASCII码： H（0x48）i（ 0x69）
二进制码：H（0100 1000）i（0110 1001）

串口通信是LSB（小端字节序，从右边开始传），网络socket是MSB（大端字节序）

假如使用RS232 电平标准，A传给B的电平如下：

（1）同步通信：至少要两根线：数据线，时钟线

但是A与B之间只有数据线，没有时钟线，我们要想其他的办法！

（2）异步通信：只有一根数据线

没有时钟线的通信方式，我们就叫做异步通信。这时候靠速率来定义接收到的数据，这个速率叫波特率（Baudrate）。很显然，异步通信发送和接收双方的波特率应该保持一致，如果不一致则会接收异常。

（5）通信协议

总线空闲，一般是高电平； 起始位，低电平，一个位宽；

• 起始位：接收方探测， 默认总线空闲时是高电平，一旦来一个位的低电平，说明一帧数据开始了。紧接着就是数据位，一帧数据有多少个数据位，由通信双方定义。

• 数据位： 5, 6,7, 8， 一般是8个位。

• 校验位：数据位发完了，一般会跟奇偶校验位(奇校验、偶校验、无校验)，验证收发双方的数据是否正常。

• 奇校验: 数据位加上校验位保证1的个数为奇数；

• 偶校验: 数据位加上校验位保证1的个数为偶数；

• 停止位：数据发完之后，会发一个停止位，停止位的宽度一般是： 1， 1.5， 2

RS232 的通信协议比较简单，通常遵循 96-N-8-1 格式。

“96”表示的是通信波特率为 9600。串口通信中通常使用的是异步串口通信，既没有时钟线，所以两个设备要通信，必须要保持一致的波特率，当然，波特率常用值还有 4800、115200 等。

“N”表示的是无校验位，由于串口通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、 0 校验(space)、1 校验(mark)以及无校验(noparity)。具体的介绍，大家可以百度下串口通信了解。

“8”表示的是数据位数为 8 位，其数据格式在前面介绍异步通信中已讲过。当然数据位数还可以为 5、6、7 位长度。

“1”表示的是 1 位停止位，串口通讯的一个数据包从起始信号开始，直到停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑 0 的数据位表示，而数据包的停止信号可由 0.5、 1、 1.5 或 2 个逻辑 1 的数据位表示，只要双方约定一致即可。

二、简单的串口通信

通过串口读取信息

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>




int main(int argc, char **argv)
{
    int     tty_fd = -1 ;
    int     rv = -1 ;
    char    r_buf[128] ;
    struct termios options;
    fd_set  rset;

    tty_fd = open("/dev/ttyUSB0",O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY) ; //打开串口设备
    if(tty_fd < 0)
    {
        printf("open tty failed:%s\n", strerror(errno)) ;
        goto cleanup ;
    }
    printf("open devices sucessful!\n") ;
    
    memset(&options, 0, sizeof(options)) ;
    rv = tcgetattr(tty_fd, &options); //获取原有的串口属性的配置
    if(rv != 0)
    {
        printf("tcgetattr() failed:%s\n",strerror(errno)) ;
        goto cleanup ;
    }
    options.c_cflag|=(CLOCAL|CREAD ); // CREAD 开启串行数据接收，CLOCAL并打开本地连接模式
    options.c_cflag &=~CSIZE;// 先使用CSIZE做位屏蔽  
    options.c_cflag |= CS8; //设置8位数据位
    options.c_cflag &= ~PARENB; //无校验位

    /* 设置115200波特率  */
    cfsetispeed(&options, B9600); 
    cfsetospeed(&options, B9600);

    options.c_cflag &= ~CSTOPB;/* 设置一位停止位; */

    options.c_cc[VTIME] = 0;/* 非规范模式读取时的超时时间；*/
    options.c_cc[VMIN]  = 0; /* 非规范模式读取时的最小字符数*/
    tcflush(tty_fd ,TCIFLUSH);/* tcflush清空终端未完成的输入/输出请求及数据；TCIFLUSH表示清空正收到的数据，且不读取出来 */

    if((tcsetattr(tty_fd, TCSANOW,&options))!=0)
    {
        printf("tcsetattr failed:%s\n", strerror(errno));
        goto cleanup ;
    }

    while(1)
    {
        FD_ZERO(&rset) ;
        FD_SET(tty_fd, &rset) ;
        rv = select(tty_fd+1, &rset, NULL, NULL, NULL) ;
        if(rv < 0)
        {
            printf("select() failed: %s\n", strerror(errno)) ;
            goto cleanup ;
        }
        if(rv == 0)
        {
            printf("select() time out!\n") ;
            goto cleanup ;
        }

        memset(r_buf, 0, sizeof(r_buf)) ;
        rv = read(tty_fd, r_buf, sizeof(r_buf)) ;
        if(rv < 0)
        {
            printf("Read() error:%s\n",strerror(errno)) ;
            goto cleanup ;
        }
        printf("Read from tty: %s\n",r_buf) ;
    }

cleanup:
    close(tty_fd) ;
    return 0 ;
}

通过串口写信息

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <unistd.h>


#define W_BUF   "Hello,comport!"


int main(int argc, char **argv)
{
    int     tty_fd = -1 ;
    int     rv = -1 ;
    struct termios options;

    tty_fd = open("/dev/ttyUSB0",O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY) ; //打开串口设备
    if(tty_fd < 0)
    {
        printf("open tty failed:%s\n", strerror(errno)) ;
        goto cleanup ;
    }
    printf("open devices sucessful!\n") ;
    
    memset(&options, 0, sizeof(options)) ;
    rv = tcgetattr(tty_fd, &options); //获取原有的串口属性的配置
    if(rv != 0)
    {
        printf("tcgetattr() failed:%s\n",strerror(errno)) ;
        goto cleanup ;
    }
    options.c_cflag|=(CLOCAL|CREAD ); // CREAD 开启串行数据接收，CLOCAL并打开本地连接模式
    options.c_cflag &=~CSIZE;// 先使用CSIZE做位屏蔽  
    options.c_cflag |= CS8; //设置8位数据位
    options.c_cflag &= ~PARENB; //无校验位

    /* 设置115200波特率  */
    cfsetispeed(&options, B9600); 
    cfsetospeed(&options, B9600);

    options.c_cflag &= ~CSTOPB;/* 设置一位停止位; */

    options.c_cc[VTIME] = 0;/* 非规范模式读取时的超时时间；*/
    options.c_cc[VMIN]  = 0; /* 非规范模式读取时的最小字符数*/
    tcflush(tty_fd ,TCIFLUSH);/* tcflush清空终端未完成的输入/输出请求及数据；TCIFLUSH表示清空正收到的数据，且不读取出来 */

    if((tcsetattr(tty_fd, TCSANOW,&options))!=0)
    {
        printf("tcsetattr failed:%s\n", strerror(errno));
        goto cleanup ;
    }

    while(1)
    {
        rv = write(tty_fd, W_BUF,strlen(W_BUF)) ;
        if(rv < 0)
        {
            printf("Write() error:%s\n",strerror(errno)) ;
            goto cleanup ;
        }
        sleep(3) ;
    }

cleanup:
    close(tty_fd) ;
    return 0 ;
}

总结来看串口通信原理，（也可以说大多数通信原理也是如此）。通信首先要有个通信，可以简单的把通信看成一个小桶，发送方住水桶里装水，接收方从水桶中取水。如果你要和对方通信首先需要将桶盖打开，再将水装入到桶中，这时接收方才能够从桶中取到水。这里就存在着一定的问题，1，如果桶盖还没有打开，发送方已经发送了。这时接收方再从桶中取水，肯定取的水不对，会一部分缺失了。解决方式就是让桶盖打开再往其中加水。2，但是桶盖何时打开，发送方何时发送，这个不好把握。解决方法：接收方接到数据时，要返回一个应答标志，告诉发送方我已经取到数据了，而且是取得到正确数据才应答，否则不理会，继续取数据。或者一直查询，直到与发送方发来的数据一致再停止取数据。
一般的，进行串口通信总有一个是主动方一个是被动方，而且二者传输数据时，会有一定的协商好的数据格式，二者发送接收都按照此数据格式进行。