串口通讯（Serial Communication）是一种非常常用的设备间串行通讯方式，因其简单易用而广泛应用于各种电子设备中。
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1 物理层
串口通讯的物理层有多种标准和变种，其中RS-232标准是最为广泛使用的一种。RS-232标准主要规定了信号的用途、通讯接口以及信号的电平标准，是串口通讯的基础。
1.1 RS-232 标准概述
- 信号用途: RS-232标准定义了不同信号的功能，包括发送数据、接收数据、控制信号和地线等。常见的信号包括：
- TXD: 发送数据线
- RXD: 接收数据线
- GND: 地线
- RTS: 请求发送
- CTS: 清除发送
- 通讯接口: RS-232通常使用DB9或DB25连接器，DB9连接器是最常见的形式，适用于大多数设备间的连接。
- 电平标准: RS-232标准规定了信号的电平标准，通常在-15V至+15V之间。逻辑“1”（空闲状态）通常表示为负电压（如-3V到-15V），而逻辑“0”则表示为正电压（如+3V到+15V）。这一电平标准使得RS-232能够在一定距离内进行可靠的通讯。
1.2 串口通讯结构
在使用RS-232标准的串口设备间，常见的通讯结构如下（假设为图示）：
- 两个设备通过DB9接口连接，形成一条串口信号线。
- 信号线中使用RS-232标准传输数据信号，以实现设备间的通讯。
1.3 电平转换
由于RS-232的电平标准与大多数微控制器（如Arduino、STM32等）使用的TTL（Transistor-Transistor Logic）电平标准不兼容，因此需要使用电平转换芯片。电平转换的过程如下：
- RS-232信号通过电平转换芯片转换为TTL电平信号，TTL信号的电平通常为0V（逻辑0）和5V（逻辑1）。
- 转换后的TTL信号可以被控制器直接识别，从而实现数据的发送和接收。
1.4 RS-232
在传统台式计算机中，通常会有一个RS-232标准的COM口（DB9接口）。这个接口通常由公头（针式）和母头（孔式）构成。计算机一般使用公头接口，而调制解调器通常使用母头接口。通过串口线连接这两种设备，可以实现数据的传输。
1.4.1 DB9接口的引脚定义
| 引脚号 | 信号名称 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | DCD (Data Carrier Detect) | 数据载波检测 |
| 2 | RXD (Receive Data) | 接收数据 |
| 3 | TXD (Transmit Data) | 发送数据 |
| 4 | DTR (Data Terminal Ready) | 数据终端准备就绪 |
| 5 | GND (Signal Ground) | 信号地 |
| 6 | DSR (Data Set Ready) | 数据设备准备就绪 |
| 7 | RTS (Request to Send) | 请求发送 |
| 8 | CTS (Clear to Send) | 清除发送 |
| 9 | RI (Ring Indicator) | 响铃指示 |
由于两个通讯设备之间的收发信号 (RXD 与 TXD)应交叉相连，所以调制调解器端的 DB9 母头的收发信号接法一般与公头的相反
2 协议层
串口通讯的数据包由发送设备通过其TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通讯的协议层中，数据包的内容结构明确规定，通常由以下几个部分组成：
- 启始位 (Start Bit)
- 主体数据 (有效数据)
- 校验位 (Parity Bit)
- 停止位 (Stop Bit)
为了确保通讯双方能够正常收发数据，数据包的格式必须在通讯双方之间达成一致。
2.1波特率
在本章中，主要讨论串口的异步通讯。异步通讯中，由于缺乏时钟信号（例如，在DB9接口中并没有时钟信号），因此两个通讯设备必须约定好波特率。波特率定义了每个码元的长度，以便于信号的解码。图示中用虚线分隔的每一格代表一个码元。常见的波特率包括4800、9600、115200等。
2.2 通讯的起始和停止信号
串口通讯的数据包从起始信号开始，直到停止信号结束：
- 起始信号: 数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示。
- 停止信号: 数据包的停止信号可以由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。
2.3 有效数据
在数据包的起始位之后，紧接着就是要传输的主体数据内容，称为有效数据。有效数据的长度通常被约定为5、6、7或8位长。
2.4 数据校验
在有效数据之后，可能会有一个可选的校验位。由于数据通信容易受到外部干扰，可能导致传输数据出现偏差，因此可以在传输过程中增加校验位。常见的校验方法有：
- 奇校验 (Odd Parity): 有效数据和校验位中“1”的个数为奇数。例如，一个8位的有效数据为
01101001，此时总共有4个“1”。为了达到奇校验效果，校验位为“1”，最后传输的数据将是8位的有效数据加上1位的校验位，总共9位。 - 偶校验 (Even Parity): 要求帧数据和校验位中“1”的个数为偶数。例如，数据帧
11001010中“1”的个数为4个，因此偶校验位为“0”。 - 0校验 (Space Parity): 无论有效数据的内容如何，校验位总为“0”。
- 1校验 (Mark Parity): 校验位总为“1”。
- 无校验 (No Parity): 在这种情况下，数据包中不包含校验位。