RS232：基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)和規(guī)范

為什么選擇 RS232？

從電話線上的簡單模擬通信到用于數(shù)據(jù)交換的典型 USB 電纜，我們在通信領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步。RS232是此旅程中達(dá)到的第一個(gè)里程碑。它是 EIA 無線電部門于 1962 年推出的用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)交換的機(jī)電打字機(jī)和調(diào)制解調(diào)器的標(biāo)準(zhǔn)。它使模擬通道上的數(shù)據(jù)交換更加可靠。標(biāo)準(zhǔn)定義的電壓水平使其免受噪聲干擾并減少數(shù)據(jù)交換中的錯(cuò)誤。

隨著技術(shù)的發(fā)展，許多電子設(shè)備在此期間被開發(fā)出來，如計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、測試儀器等。有一段時(shí)間，制造商覺得有必要在這些電子設(shè)備之間交換信息。例如計(jì)算機(jī)與打印機(jī)或兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。但是沒有標(biāo)準(zhǔn)或方法來完成這項(xiàng)任務(wù)。RS232是當(dāng)時(shí)用于數(shù)據(jù)交換的唯一可用標(biāo)準(zhǔn)。因此，他們考慮在電子設(shè)備中采用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)交換。但該標(biāo)準(zhǔn)無法滿足要求，因?yàn)樗菍ｉT為調(diào)制解調(diào)器和電傳打字機(jī)開發(fā)的。噸

o 克服這個(gè)問題，設(shè)計(jì)人員開始實(shí)現(xiàn)與他們的設(shè)備兼容的 RS232 接口。像惠普的電腦就只能使用惠普的周邊設(shè)備。正因?yàn)槿绱?，市場上充斥著不同的制造商，他們有自己的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。這導(dǎo)致了常見問題，例如連接器上電路的非標(biāo)準(zhǔn)引腳分配，以及不正確或丟失的控制信號(hào)。缺乏對標(biāo)準(zhǔn)的遵守產(chǎn)生了一個(gè)蓬勃發(fā)展的行業(yè)，包括用于連接不同設(shè)備的分線盒、接線盒、測試設(shè)備、書籍和其他輔助工具。因此，為了結(jié)束設(shè)備上的所有這些差異，制造商聯(lián)合制造了一個(gè)提供+5V和-5V的****，并將它們標(biāo)記為“RS-232”兼容，并且它們迄今為止都是相同的。該標(biāo)準(zhǔn)在最初的標(biāo)準(zhǔn)之后經(jīng)過多次修訂，并由電子工業(yè)協(xié)會(huì)更新。標(biāo)準(zhǔn)名稱也從 RS232 更改為 EIA232。電子工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布了三項(xiàng)修改，最近的一項(xiàng)是 1997 年推出的 EIA232F。

什么是 RS232 – “推薦標(biāo)準(zhǔn) 232”

RS-232 是一種標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，用于連接計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備以允許進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交換。簡單來說，RS232 定義了用于設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的路徑的電壓。它規(guī)定了公共電壓和信號(hào)電平、公共引腳線配置以及控制信號(hào)的最小數(shù)量。如上所述，該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)機(jī)電電傳打字機(jī)和調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的規(guī)范設(shè)計(jì)的，并且沒有定義在計(jì)算機(jī)和打印機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)必不可少的元素，例如字符編碼、字符框架、錯(cuò)誤檢測協(xié)議等。沒有它就無法在計(jì)算機(jī)和打印機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)。為了克服這個(gè)問題，一個(gè)稱為通用異步接收器/發(fā)送器的稱為 UART 的集成電路與 RS232 結(jié)合使用。

這就是整個(gè)安排的運(yùn)作方式。

圖 1： PC 和設(shè)備之間使用 RS232 協(xié)議進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交換的示意圖

從該圖中可以清楚地看出，UART、線路驅(qū)動(dòng)器和 RS232 是系統(tǒng)中的三個(gè)獨(dú)立部分，每個(gè)部分都有自己的特點(diǎn)。UART 和線路驅(qū)動(dòng)器是 RS232 中用于在串行數(shù)據(jù)交換期間提高系統(tǒng)質(zhì)量的部分。

EIA給出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義，將RS232定義為“數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間的接口”。典型的 RS232 系統(tǒng)如下所示。

圖 2： 解釋典型 RS232 系統(tǒng)的圖像

DTE ——DTE代表數(shù)據(jù)終端設(shè)備，是將用戶信息轉(zhuǎn)換為信號(hào)或?qū)邮招盘?hào)進(jìn)行再轉(zhuǎn)換的終端儀器。它是站的功能單元，作為數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)宿，并根據(jù)鏈路協(xié)議提供通信控制功能。公連接器用于 DTE 并具有引腳配置。

DCE -A DCE 代表數(shù)據(jù)通信設(shè)備。它位于 DTE 和數(shù)據(jù)傳輸電路（例如調(diào)制解調(diào)器）之間。DCE 設(shè)備使用一個(gè)在表面上有孔的母連接器來固定公連接器。

DTE 和 DCE 設(shè)備之間的通信至少需要三個(gè)信號(hào)。這些信號(hào)是傳輸線、接收線和地。這兩個(gè)設(shè)備通過握手相互通信。它允許 DTE 和 DCE 設(shè)備系統(tǒng)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前相互確認(rèn)。

握手是 DTE 設(shè)備在實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)之前向 DCE 設(shè)備發(fā)送信號(hào)以在設(shè)備之間建立連接的過程。它設(shè)置兩個(gè)設(shè)備之間建立的通信通道的參數(shù)，然后才開始通過該通道進(jìn)行正常通信。它遵循通道的物理建立并在正常信息傳輸之前。握手使得通過通信通道連接相對異構(gòu)的系統(tǒng)或設(shè)備成為可能，而無需人工干預(yù)來設(shè)置參數(shù)。 RS232 中使用了相同的概念，以允許兩個(gè)設(shè)備在實(shí)際交換信息之前相互通信。

所有這些術(shù)語放在一起給出了從 DTE 到 DCE 的 RS232 系統(tǒng)的完整圖景，其中 UART、線路驅(qū)動(dòng)器和 RS232 作為它們之間的連接。

RS232標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

圖 3： 解釋 RS232 在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的框圖

RS-232 接口與 UART 通用異步接收器/發(fā)送器結(jié)合使用。它是集成在處理器或控制器內(nèi)部的一塊集成電路。它需要字節(jié)并以幀中的順序方式傳輸各個(gè)位。幀是定義的結(jié)構(gòu)，承載有意義的位或字節(jié)數(shù)據(jù)序列。它有一個(gè)起始位，后跟 8 個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位。一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為位，就使用單獨(dú)的線路驅(qū)動(dòng)器將 UART 的邏輯電平轉(zhuǎn)換為 RS-232 邏輯。最后，信號(hào)以指定的 RS-232 電壓電平沿接口電纜傳輸。數(shù)據(jù)通過 RS232 串行發(fā)送。每個(gè)位一個(gè)接一個(gè)地發(fā)送。噸

他的傳輸模式要求接收器知道實(shí)際數(shù)據(jù)位何時(shí)到達(dá)以與即將到來的數(shù)據(jù)同步。因此，邏輯 0 作為起始位發(fā)送。幀中的起始位向接收器發(fā)出一個(gè)新字符即將到來的信號(hào)。一旦接收器確認(rèn)接下來的五到八位被發(fā)送，代表字符。其后是用于錯(cuò)誤檢測的奇偶校驗(yàn)位。奇偶校驗(yàn)位用于指定一組位中的偶數(shù)或奇數(shù)個(gè)。對于錯(cuò)誤檢測，我們在數(shù)據(jù)字中添加了一個(gè)額外的位。發(fā)送器根據(jù)發(fā)送的信息計(jì)算位的值，接收器也執(zhí)行相同的計(jì)算。它檢查計(jì)算值的奇偶校驗(yàn)值。停止位幫助接收者識(shí)別消息的結(jié)束。起始位始終具有空格值，而停止位始終具有標(biāo)記值?，F(xiàn)在，如果接收器在停止位應(yīng)該存在時(shí)檢測到除標(biāo)記以外的值，它就知道存在同步錯(cuò)誤。這會(huì)導(dǎo)致接收 UART 中出現(xiàn)幀錯(cuò)誤情況。然后，設(shè)備嘗試在新的傳入位上重新同步。在另一端，線路驅(qū)動(dòng)器接口再次將其轉(zhuǎn)換為與 UART 兼容的邏輯電平。在目的地，第二個(gè) UART 將這些位重新組合成字節(jié)。這就是 RS232 使數(shù)據(jù)交換兼容和可靠的方式。

標(biāo)準(zhǔn) RS232 規(guī)格

RS 232 被稱為一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)。它不僅定義了電氣特性，還定義了功能和機(jī)械特性，從而確保了完美的兼容性。例如電壓電平、壓擺率、信號(hào)速率、可插拔連接器、引腳標(biāo)識(shí)等。此框圖中總結(jié)了所有規(guī)范及其值和示例。

圖 4： 總結(jié)標(biāo)準(zhǔn) RS232 規(guī)格的框圖

本節(jié)處理對標(biāo)準(zhǔn)中每個(gè)特征的詳細(xì)理解。

電氣特性

它包括電壓等級規(guī)范；壓擺率和耐壓水平。RS232 引腳輸出信號(hào)由相對于公共端的電壓電平表示。它指定最大電路電壓為 25v。在發(fā)送器端，驅(qū)動(dòng)器輸出指定電壓+3v 至 +15v為高電平，-3v 至 -15v 為低電平。同樣，接收器輸出高電平電壓為+3v至+15v，低電平電壓為-3v至-15v。應(yīng)該知道接收器邏輯提供+2v 噪聲容限。+3v 和 -3v 之間的死區(qū)旨在吸收線路噪聲。在 RS232 規(guī)范中，低電平 -3v 到 -15v 被定義為邏輯 '1'為 ON 狀態(tài)并稱為“標(biāo)記”，而高電平 +3v 到 +15v 被定義為邏輯“0”作為關(guān)閉狀態(tài)并稱為“間隔”。RS232 標(biāo)準(zhǔn)還限制了最大轉(zhuǎn)換速率，從而減少了兩個(gè)信號(hào)之間的串?dāng)_。轉(zhuǎn)換速率定義為輸出電壓相對于時(shí)間的變化率。RS232 的最大允許壓擺率為 30v/微秒，這會(huì)減慢上升和下降時(shí)間并減少串?dāng)_。驅(qū)動(dòng) RS-232 兼容接口的電路必須能夠承受無限期的接地短路或高達(dá) 25 伏的任何電壓電平。一些計(jì)算機(jī)設(shè)備忽略負(fù)電平并接受零電壓電平作為關(guān)閉狀態(tài)。輸出信號(hào)電平通常在+12V 和-12V 之間擺動(dòng)。

RS232邏輯規(guī)格圖

圖 5： 顯示 RS232 電氣特性的圖表

機(jī)械特性

該區(qū)域與機(jī)械接口有關(guān)。

最初使用標(biāo)準(zhǔn)的 25 針連接器。它指定了可以容納所有信號(hào)的最小連接器尺寸。每個(gè)引腳都已預(yù)先定義，以允許主機(jī)和外圍系統(tǒng)之間的兼容性。數(shù)據(jù)終端設(shè)備使用公連接器，數(shù)據(jù)通信設(shè)備使用母連接器引腳。 與連接器相關(guān)的另一個(gè)重要概念是性別類型。在電氣和機(jī)械行業(yè)中，每個(gè)連接器都是成對出現(xiàn)的。一個(gè)是公連接器，另一個(gè)是母連接器。公連接器的針腳突出在表面上，而母連接器上有孔以固定公連接器。在 RS232 中，DTE 具有公頭 D-25 連接器，而 DCE 具有母頭 D-25 連接器。D-SUB 25 MALE 和 D-SUB 25 FEMALE 連接器的組合用于通過指定公共電壓和信號(hào)電平、公共針線配置和最小控制信號(hào)量來連接 DTE 和 DCE。

圖 6：基于 RS232 的系統(tǒng)中 D-SUB 25 MALE 連接器的圖像

25 位連接器被廣泛使用，但現(xiàn)在它是 9 針連接器，用于許多應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，這已經(jīng)足夠了，因?yàn)?RS232 25 針連接器上可用的許多線路很少使用。9 路連接器能夠?yàn)榇蠖鄶?shù)應(yīng)用程序提供所有所需的連接，并允許應(yīng)用程序根據(jù)要求傳輸和接收必要的信號(hào)。

一個(gè) 25 針和一個(gè) 9 針連接器如下所示。

圖 7：25 針和 9 針連接器中的針號(hào)

功能特性

這是與 RS232 規(guī)范有關(guān)的第三個(gè)領(lǐng)域。它定義了接口中使用的不同信號(hào)的功能。這些信號(hào)被定義為四類：數(shù)據(jù)、通用、控制和定時(shí)。表中使用的術(shù)語很少，例如環(huán)回、摘機(jī)或掛機(jī)以及輔助信道。

Loop Back——在交換中心進(jìn)行線路傳輸測試的一種方法。環(huán)回允許用戶測試自己的網(wǎng)絡(luò)以確保其正常運(yùn)行。

摘機(jī) – 在撥號(hào)或通信期間使用電話或其他用戶儀器時(shí)發(fā)生的情況。它最初用于具有單獨(dú)耳機(jī)（接收器）的電話，該耳機(jī)掛在開關(guān)掛鉤上，直到用戶想要使用它。

輔助通道——這些是數(shù)據(jù)通道，具有與第一個(gè)通道相同的功能。例如輔助傳輸數(shù)據(jù) (STD)、輔助接收數(shù)據(jù) (SRD)、輔助請求發(fā)送 (SRTS)、輔助清除發(fā)送 (SCTS) 和輔助載波檢測 (SDCD)。

下表顯示了不同的信號(hào)及其功能

圖 8： 總結(jié) RS232 引腳說明的表格

正如我們所見，該標(biāo)準(zhǔn)提供了豐富的控制信號(hào)。只有少數(shù)應(yīng)用需要所有定義的信號(hào)，否則只使用很少的信號(hào)，例如典型的調(diào)制解調(diào)器只使用八個(gè)信號(hào)，有些可能只需要四個(gè)，兩個(gè)用于數(shù)據(jù)，兩個(gè)用于握手，而其他可能只使用數(shù)據(jù)信號(hào)而不使用握手.

握手

RS232中的握手俗稱“RTS/CTS”握手。數(shù)據(jù)終端設(shè)備置位 RTS 引腳以指示希望向 DCE 傳輸，然后 DCE 通過 CTS 引腳響應(yīng)以授予許可。此后調(diào)制解調(diào)器在不需要時(shí)禁用它們的****，并且當(dāng)它們再次重新啟用時(shí)必須向接收器發(fā)送同步信號(hào)在最新版本的 RS232 E 標(biāo)準(zhǔn)中，重新定義了握手，其中 CTS（清除發(fā)送）不再是對 RTS 的響應(yīng)，而是它表示 DCE 對 DTE 設(shè)備的許可。以類似的方式，RTS 指示 DTE 允許 DCE 發(fā)送數(shù)據(jù)。RTS 和 CTS 由 DTE 和 DCE 控制，相互獨(dú)立。解釋了具有 8 條信號(hào)線的詳細(xì)握手系統(tǒng)。

圖 9： 顯示 RS232 握手系統(tǒng)細(xì)節(jié)的框圖

當(dāng) Data Carrier Detect 關(guān)閉時(shí)，它向本地終端指示遠(yuǎn)程 DTE 尚未打開其 RTS，本地終端可以控制線路。當(dāng)該電路在本地接通時(shí)，它向本地終端指示遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器已從其終端接收到 RTS ON 條件，并且遠(yuǎn)程 DTE 控制著載波線路。RXD 代表從調(diào)制解調(diào)器接收數(shù)據(jù)到 DTE。TXD 將數(shù)據(jù)從 DTE 傳輸?shù)秸{(diào)制解調(diào)器。DTR 數(shù)據(jù)終端就緒引腳通常在終端準(zhǔn)備通過其調(diào)制解調(diào)器建立通信通道時(shí)打開。但是當(dāng) DTR 不想接受來自遠(yuǎn)程終端的呼叫時(shí)，電路關(guān)閉。當(dāng)在兩個(gè)站點(diǎn)之間建立通信路徑時(shí)，兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器都會(huì)打開它們的數(shù)據(jù)集就緒電路?，F(xiàn)在，當(dāng)終端準(zhǔn)備好發(fā)送時(shí)，它打開請求發(fā)送電路，指示本地調(diào)制解調(diào)器它已準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)請求被傳遞到遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器。RTS 控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。一旦終端準(zhǔn)備好發(fā)送本地調(diào)制解調(diào)器，就會(huì)打開 CTS 電路以指示它準(zhǔn)備好接收來自 DTE 的數(shù)據(jù)。它還可以控制電話線。接下來，當(dāng)調(diào)制解調(diào)器接收到呼叫時(shí)，振鈴指示器會(huì)打開/關(guān)閉，通知 DTE 呼叫即將到來，表明遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器正在請求撥號(hào)。這是一個(gè)帶有 8 條信號(hào)線的簡單握手系統(tǒng)。一旦終端準(zhǔn)備好發(fā)送本地調(diào)制解調(diào)器，就會(huì)打開 CTS 電路以指示它準(zhǔn)備好接收來自 DTE 的數(shù)據(jù)。它還可以控制電話線。接下來，當(dāng)調(diào)制解調(diào)器接收到呼叫時(shí)，振鈴指示器會(huì)打開/關(guān)閉，通知 DTE 呼叫即將到來，表明遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器正在請求撥號(hào)。這是一個(gè)帶有 8 條信號(hào)線的簡單握手系統(tǒng)。一旦終端準(zhǔn)備好發(fā)送本地調(diào)制解調(diào)器，就會(huì)打開 CTS 電路以指示它準(zhǔn)備好接收來自 DTE 的數(shù)據(jù)。它還可以控制電話線。接下來，當(dāng)調(diào)制解調(diào)器接收到呼叫時(shí)，振鈴指示器會(huì)打開/關(guān)閉，通知 DTE 呼叫即將到來，表明遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器正在請求撥號(hào)。這是一個(gè)帶有 8 條信號(hào)線的簡單握手系統(tǒng)。

結(jié)論

RS232成為連接調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)、鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和其他外圍設(shè)備的個(gè)人計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功能。盡管有許多新的發(fā)展，但 RS232 仍然找到了它的應(yīng)用。第一個(gè)也是最重要的原因是標(biāo)準(zhǔn)的簡單性。它允許用戶直接與串行端口通信。由于使用非常昂貴但老化的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室、自動(dòng)化、測量等領(lǐng)域?qū)?RS232 的需求持續(xù)存在。使用 RS232 比更換設(shè)備便宜得多。不僅是舊設(shè)備，而且現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備，如伺服驅(qū)動(dòng)器、CNC 設(shè)備等，都可以通過 RS232 進(jìn)行編程。東芝還在筆記本電腦上重新引入了 DE-9M 連接器。帶有 RS-232 的串行端口用于與無頭系統(tǒng)通信，例如在引導(dǎo)期間未安裝鍵盤的服務(wù)器。一些嵌入式系統(tǒng)使用 RS232 串行端口作為替代網(wǎng)絡(luò)模式監(jiān)控進(jìn)行通信。