一、串口協議和RS-232標準

（一）串口通訊協議

1.簡介

串口通信指串口按位（bit）發送和接收位元組，盡管位元位元組（byte）的串行通信慢，但是串口可以在使用一根線發送資料的同時用另一根線接收資料，串口通信協議是指規定了資料包的內容，內容包含了起始位、主體資料、校驗位及停止位，雙方需要約定一致的資料包格式才能正常收發資料的有關規范，在串口通信中，常用的協議包括RS-232、RS-422和RS-485

2.串口通信的基本原理

1）串口在嵌入式系統當中是一類重要的資料通信介面，其本質功能是作為 CPU 和串行設備間的編碼轉換器，當資料從 CPU 經過串行埠發送出去時，位元組資料轉換為串行的位；在接收資料時，串行的位被轉換為位元組資料，
2）應用程式要使用串口進行通信，必須在使用之前向作業系統提出資源申請要求（打開串口），通信完成后必須釋放資源（關閉串口），典型地，串口用于 ASCII 碼字符的傳輸，

• 通信使用3根線完成：
  （1）地線，
  （2）發送資料線，
  （3）接收資料線，

3）串口通信最重要的引數是波特率、資料位、停止位和奇偶校驗，

• 對于兩個進行通行的埠，這些引數必須匹配：波特率是一個衡量通信速度的引數，它表示每秒鐘傳送的 bit 的個數；資料位是衡量通信中實際資料位的引數，當計算機發送一個資訊包，標準的值是 5，7 和 8 位，如何設定取決于你的需求；停止位用于表示單個包的最后一位，典型的值為 1，1.5和 2 位，停止位不僅僅是表示傳輸的結束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會；奇偶校驗位是串口通信中一種簡單的檢錯方式，有四種檢錯方式——偶、奇、高和低，也可以沒有校驗位，

（二）RS232串口標準

1.簡介

RS232串口標準是美國EIA（電子工業聯合會）與BELL等公司一起開發的通信協議，它適合于資料傳輸速率在0~20000bit/s范圍內通信，RS232作為一種標準，被廣泛應用于計算機與外設間的一種常通信介面，其中外設應用種類繁多，如：列印機、資料采集模塊、測驗裝置和各種控制回路，甚至RS232串行介面還可用于計算機之間的簡單連接上，

2.RS232串行介面的特點

優點

(1)信號線少

• RS-232總線規定了25條線，包含了兩個信號通道，即第一通道（稱為主通道）和第二通道（稱為副通道），利用RS- 232總線可以實作全雙工通信，通常使用的是主通道，而副通道使用較少，在一般應用中，使用3條～9條信號線就可以實作全雙工通信，采用三條信號線（接收線、發送線和信號地）能實作簡單的全雙工通信程序， [1]

(2)靈活的波特率選擇

• RS-232規定的標準傳送速率有50b/s、75b/s、110b/s、150b/s、300b/s、600b/s、1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、19200b/s，可以靈活地適應不同速率的設備，對于慢速外設，可以選擇較低的傳送速率：反之，可以選擇較高的傳送速率， [1]

(3)采用負邏輯傳送

• 規定邏輯“1”的電平為-5V~-15 V，邏輯“0”的電平為+5 V～+15 V，選用該電氣標準的目的在于提高抗干擾能力，增大通信距離，RS -232的噪聲容限為2V，接收器將能識別高至+3V的信號作為邏輯“0”，將低到-3 V的信號作為邏輯“1”， [1]

(4)傳送距離較遠

• 由于RS -232采用串行傳送方式，并且將微機的TTL電平轉換為RS-232C電平，其傳送距離一般可達30 m，若采用光電隔離20 mA的電流環進行傳送，其傳送距離可以達到1000 m，另外，如果在RS-232總線介面再加上Modem，通過有線、無線或光纖進行傳送，其傳輸距離可以更遠， [1]

缺點

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（1）介面的信號電平值較高，易損壞介面電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接，
（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps；因此在CPLD開發板中，綜合程式波特率只能采用19200，也是這個原因，
（3）介面使用一根信號線和一根信號回傳線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱，
（4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在15米左右，

3.RS232串行介面的電氣特性

資料線Txd和Rxd上邏輯電平的下定義：>

• 邏輯1：-3V~-15V
• 邏輯0：+3V~+15V》
  RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：

• 信號有效（ON）：+3V~+15V
• 信號無效（OFF）：-3V~-15V

由于RS232的電平定義與大部分單片機系統（各種外設都基于一個單片機系統構建）使用的TTL電平標準不相符，所以以一般單片機系統與RS232之間的連接通常都加了一個這兩種電平之間的轉換芯片，如常用的MAX232就屬于此類電平轉換芯片，

二、RS232電平與TTL電平

（一）TTL電平標準

輸出 L： 《0.8V ； H：》2.4V，

輸入 L： 《1.2V ； H：》2.0V

TTL器件輸出低電平要小于0.8V，高電平要大于2.4V，輸入，低于1.2V就認為是0，高于2.0就認為是1，于是TTL電平的輸入低電平的噪聲容限就只有（0.8-0）/2=0.4V，高電平的噪聲容限為（5-2.4）/2=1.3V，

（三）RS232標準

邏輯1的電平為-3～-15V，邏輯0的電平為+3～+15V，注意電平的定義反相了一次，

（三）區別

TTL電平信號之所以被廣泛使用，原因是因為：通常我們采用二進制來表示資料，而且規定，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”，這樣的資料通信及電平規定方式，被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號系統，這是計算機處理器控制的設備內部各部分之間通信的標準技術，

rs232是個人計算機上的通訊介面之一，由電子工業協會（Electronic Industries AssociaTIon，EIA）
所制定的異步傳輸標準介面，通常 RS-232 介面以9個引腳 （DB-9） 或是25個引腳 （DB-25）
的型態出現，一般個人計算機上會有兩組 RS-232 介面，分別稱為 COM1 和
COM2，RS232的電平標準為+12V為邏輯負，-12為邏輯正，TTL電平為5V為邏輯正，0為邏輯負

三、USB/TTL轉232模塊（以CH340芯片模塊為例）的作業原理

（一）USB轉串口原理

USB主機檢測到USB轉串口設備插入后，首先會對設備復位，然后開始USB列舉程序，USB列舉時程序會獲取設備描述符、配置描述符、介面描述符等，描述符中會包含USB設備的廠商ID，設備ID和Class類別等資訊，作業系統會根據該資訊為設備匹配相應的USB設備驅動，
USB虛擬串口的實作在系統上依賴于USB轉串口驅動，一般由廠家直接提供，也可以使用作業系統自帶的CDC類串口驅動等，驅動主要分為2個功能，其一注冊USB設備驅動，完成對USB設備的控制與資料通訊，其二注冊串口驅動，為串口應用層提供相應的實作方法，

串口收發對應的驅動資料流向：

串口發送

• 串口應用發送資料->USB串口驅動獲取資料->驅動將資料經過USB通道發送給USB串口設備->USB串口設備接收到資料通過串口發送

串口接收

• USB串口設備接收串口資料->將串口資料經過USB打包后上傳給USB主機->USB串口驅動獲取到通過USB上傳的串口資料->驅動將資料保存在串口緩沖區提供給串口應用讀取

（二）USB轉串口芯片CH340G

1.CH340G芯片簡介

其中CH340G是目前最常用的轉換芯片，它不僅能在PC系統上面使用，也能使用在嵌入式linux系統里面，在linux內核版本中已有相應的驅動原始碼，很容易進行移植開發，
CH340G支持 5V 電源電壓和 3.3V 電源電壓甚至 3V 電源電壓，
CH340G芯片內置了 USB 上拉電阻，D+和 D-引腳應該直接連接到 USB 總線上，USB作業在USB2.0全速模式，
CH340G 芯片內置了電源上電復位電路，CH340B 芯片還提供了低電平有效的外部復位輸入引腳，
CH340G 芯片正常作業時需要外部向 XI 引腳提供 12MHz 的時鐘信號，
硬體全雙工串口，內置收發緩沖區，支持通訊波特率 50bps～2Mbps

2. 3.3V作業原理

LED1為單元燈，LED2在發送資料的時候燈會閃爍，LED3在接收到資料的時候會閃爍，可根據需求加上或者是洗掉，
CH340G_VCC為芯片的供電，可以是3.3V或者是5V，上述電路可以兼容5V電源和3.3V電源輸入，電壓確定的話可以去掉前面的穩壓管和R1，TX/Rx的高電平與此電源相同，移植的時候需要注意，
芯片的TXD是芯片CH340G的發送，RXD是CH340G的接收，對接時需要注意信號方向，

3. 5V原理圖

可以看到3.3V供電或5V供電主要區別是對V3引腳的處理不同，從資料手冊可以看到：

四、總結

本次實驗了解了串口協議和RS-232標準的原理，RS-232標準的優缺點：優點是 (1)信號線少(2)靈活的波特率選擇(3)采用負邏輯傳送(4)傳送距離較遠；不足的是（1）介面的信號電平值較高，易損壞介面電路的芯片（2）傳輸速率較低（3）抗噪聲干擾性弱 （4）傳輸距離有限，了解了RS232電平與TTL電平的區別，CH340芯片USB/TTL轉232的作業原理，

五、參考資料

RS-232串口通信協議
RS-232百度百科
串口通信協議百度百科
rs232電平和TTL電平的區別
USB轉串口原理及應用
USB轉串口芯片CH340G的使用，3.3V或5V供電電路