RS-232接口

Posted 2020-10-05 捉猫的老鼠

RS-232接口又称之为RS-232口、串口、异步口或一个COM（通信）口。"RS-232"是其最明确的名称。 在计算机世界中，大量的接口是串口或异步口，但并不一定符合RS-232标准，但我们也通常认为它是RS-232口。 严格地讲RS-232接口是DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）之间的一个接口，DTE包括计算机、终端、串口打印机等设备。DCE通常只有调制解调器（MODEM）和某些交换机COM口是DCE。标准指出DTE应该拥有一个插头（针输出），DCE拥有一个插座（孔输出）。这经常被制造商忽视（如:WYSE终端就是孔输出DTE串口）但影响不大，只要搞清楚DCE、DTE就行了，然后按照标准接线图接线就不会错了。

目录

1.RS232接口的标准2.PC机扩展RS-232接口3.RS-232接口的连线4.RS232接口转USB接口的通信方法

RS232接口的标准

 

• 目前RS232是PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，RS代表推荐标准，232是标识号。RS232采取不平衡传输方式，即单端通信。一个完整的RS232接口有22根线，采用标准的25芯插头座。除此之外，目前广泛应用的还有一种9芯的RS232接口。它们的外观都是一个D形，对接的两个接口又分为针式和孔式两种。

  RS232标准中定义了逻辑1和逻辑0电压级数，以及标准的传输速率和连接器类型。信号大小在正的和负的3～15 V之间。RS232规定接近0的电平是无效的，逻辑1规定为负电平，有效负电平的信号状态称为传号(Marking)，它的功能意义为OFF；逻辑0规定为正电平，有效正电平的信号状态称为空号(Spacing)，它的功能意义为ON。

  在RS232标准中规定的设备可以分为数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)两类，这种分类定义了不同的线路用来发送和接收信号。一般来说，计算机和终端设备有DTE连接器，调制解调器和打印机有DCE连接器。

  本文采用被广泛使用的9芯RS232接口进行数据采集。
  

   

  表所示为在PC机、调制解调器和路由器等网络设备中使用的9芯RS 232接口的信号和管脚分配。

 

PC机扩展RS-232接口

 

• 1．PC机串口的RTS和DTR及扩展电路

  RTS和DTR是PC机中8250芯片的MODEM控制寄存器的两个输出引角D1和D0位，口地址为COM1的是3FCH，口地址为COM2的是2FCH。我们可以利用对MODEM控制寄存器3FCH或2FCH的写操作对其进行控制。从而利用该操作和扩展电路实现对TXD和RXD进行多线扩展，是其扩展电路。 在PC机串口扩展电路中，74LS161是二进制计数器，1脚是清0端，2脚是计数端，计数脉冲为负脉冲信号，4051是八选一双向数字/模拟电子开关电路，其中一片用于正向输出，一片用于反向输出。该扩展电路工作原理是通过控制PC机串口的DTR输出的高低电平来形成74LS161的P2脚计数端的负脉冲信号，使161的输出端P14（QA）、P13（QB）、P12（QC）、P11（QD）脚依次在0000到1111十六个状态中变化，本电路仅使用了QA、QB、QC三个输出来形成对4051的ABC控制，最终使得4051（1）的输入端TXD依次通过与TX1～TX8导通而得到输出信号，4051（2）的输出端RXD与RX1～RX8依次导通形成输入信号。由于RXD和TXD的导通是一一对应的，因此串口通信就可以依次通过与多达8个带有三线基本串口的外部设备进行通信传输以实现数据传送。PC机端的电平转换电路是将RS232电平转换为TTL电平，外设端的电平转换电路是将TTL电平转换为RS232电平。。

  2．电路使用程序 对PC机串口COM1的编程如下：
  

   

  对COM1口的波特率等设置； MOV DX，3FCH MOV AL，XXXXXX01B OUT DX，AL；D1生成RTS负脉冲，对74LS161输出端清0 MOV AL，XXXXXX11B； OUT DX，AL ；4051的RX1和TX1导通 CALL COM ；调用通信子程序，与第一个外部设备通信； MOV CX，7 ；设置循环计数器； NEXT：MOV DX ，3FCH MOV AL，XXXXXX10B OUT DX ，AL ；D0位生成DTR的负脉冲，形成161的P2脚计数脉冲 MOV AL，XXXXXX11B OUT DX，AL ；RX2和TX2导通 CALL COM ；调用通信子程序，与第二个外部设备通信 LOOP NEXT ；循环与另外6个外部设备通信；3．使用说明

  由于该扩展的多路接口在通信时共用一个子程序，因此在与某一路导通时，系统只能与这一路的外部设备进行通信联络。 如果工作现场需要立即和某一路通信，则需要对3FCH的D1位执行两个写操作并在RTS脚形成负脉冲，以对7416I清0后，再连接执行若干次对DTR的两次写操作。例如想对第4路外设通信，则需要执行完成对74LS161清0后，再连续三次对3FCH的D0位进行两个写操作以形成DTR脚的负脉冲，然后即可调用通信子程序。 如需使用PC机的COM2串口，只需将程序中的3F8H～3FDH全部换成2F8H～2FDH即可。 如果使用十六选一双向数字/模拟电子开关电路，可将74LS161的QA、QB、QC、QD四个输出端接至电子开关的四个控制端A、B、C、D，这样就可以达到一个PC机的RS232口与16个带有串口的外设的数据通信。

 

RS-232接口的连线

 

• RS-232接口又称之为RS-232口、串口、异步口或一个COM（通信）口。"RS-232"是其最明确的名称。 在计算机世界中，大量的接口是串口或异步口，但并不一定符合RS-232标准，但我们也通常认为它是RS-232口。 严格地讲RS-232接口是DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）之间的一个接口，DTE包括计算机、终端、串口打印机等设备。DCE通常只有调制解调器（MODEM）和某些交换机COM口是DCE。标准指出DTE应该拥有一个插头（针输出），DCE拥有一个插座（孔输出）。这经常被制造商忽视（如:WYSE终端就是孔输出DTE串口）但影响不大，只要搞清楚DCE、DTE就行了，然后按照标准接线图接线就不会错了。（DTE、DCE 引脚定义相同）
  

   

  接口的电气特性 在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻 辑“1”，-5— -15V；逻辑“0” +5— +15V 。噪声容限为2V。即 要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号 作为逻辑“1”

  接口的物理结构 RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端. 一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。

  传输电缆长度 由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺，美国DEC公司曾规定允许码元畸变为 10%而得出附表2 的实验结果。其中1号电缆为屏蔽电缆，型号为DECP.NO.9107723 内有三对双绞线，每对由22# AWG 组成，其外覆以屏蔽网。2号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯电缆。 附表2 DEC 公司的实验结果。
  

   

 

RS232接口转USB接口的通信方法

 

• USB作为一种新的PC机互连协议，使外设到计算机的连接更加高效、便利。这种接口适合于多种设备，不仅具有快速、即插即用、支持热插拔的特点，还能同时连接多达127个设备，解决了如资源冲突、中断请求（IRQs）和直接数据通道（DMAs）等问题。因此,越来越多的开发者欲在自己的产品中使用这种标准接口。而RS232是单个设备接入计算机时，常采用的一种接入方式，其硬件实现简单， 因此在传统的设备中有很多采用了这种通信方式。 一般的IC卡门禁考勤系统也使用RS232接口与PC机通信。如果将USB技术应用于IC卡门禁考勤系统与PC机之间的数据通信，这样，不仅能使IC卡门禁考勤设备具备USB通信的诸多优点，而且对PC机而言还可以节余1个RS232串口为其它通信所用。

  1 USB系统概述

  USB规范描述了总线特性、协议定义、编程接口以及其它设计和构建系统时所要求的特性。USB是一种主从总线，工作时USB主机处于主模式，设备处于从模式。USB系统所需要的唯一的系统资源是，USB系统软件所使用的内存空间、USB主控制器所使用的内存地址空间（I/O地址空间）和中断请求（IRQ）线。USB设备可以是功能性的，如显示器、鼠标或者集线器之类。它们可以作低速或者高速设备实现。低速设备最大速率限制在1.5 Mb/s，每一个设备有一些专有寄存器，也就是端点（endpoint）。在进行数据交换时，可以通过设备驱动间接访问它。每一个端点支持几种特殊的传输类型，并且有一个唯一的地址和传输方向。不同的是端点0 仅用作控制传输，并且其传输可以是双向的。

  系统上电后，USB主机负责检测设备的连接与拆除、初始化设备的列举过程，并根据设备描述表安装设备驱动后自动重新配置系统，收集每个设备的状态信息。设备描述表标识了设备的属性、特征并描述了设备的通信要求。USB主机根据这些信息配置设备、查找驱动，并且与设备通信。

  典型的USB数据传输是由设备驱动开始的，当它需要与设备通信时，设备驱动提供内存缓冲区，用来存放设备收到或者即将发送的数据。USB驱动提供USB设备驱动和USB主控制器之间的接口，并将传输请求转化为USB事务，转化时需要与带宽要求及协议结构保持一致。某些传输是由大块数据构成的，这时需要先将它划分为几个事物再进行传输。

  具有相似功能的设备可以组成一类，这样便于分享共有的特性和使用共同的设备驱动程序。每个类可以定义其自己的描述符，如：HID类描述符和 Report描述符。HID类是由人控制计算机系统的设备组成的，它定义了一个描述HID设备的结构，并且表明了设备的通信要求。HID设备描述符必须支持端点输入中断，固件也必须包括一个报告描述符，表明接收和发送数据的格式。在IC卡门禁考勤系统引入RS232到USB的接口转换模块后，从系统所具有的特性来看，应该属于HID设备。因此，两种特殊的HID类请求必须被支持：SetReport和GetReport 。这些请求使设备能接收和发送一般的设备信息给主机。在没有中断输出终端时，SetReport是主机发送数据给HID设备的唯一方式。

  2 系统要求

  为了实现IC卡门禁考勤系统中RS232-USB的接口转换，需要1台支持USB的主机，同时还要提供主机上用于与外设通信的驱动，一般由操作系统提供。此外，还需开发在主机上执行的客户端应用程序。在设备端，需要提供具有USB接口的主控制器芯片，以及编写主控制器上执行的USB通信代码和用于执行外设功能的相关代码。

  2.1 主机要求

  主机必须能够通过设备驱动接收USB数据，并且使这些数据对处理这些请求的应用程序有效。在主机中必须有一个驱动负责处理USB传输、辨识设备、向USB设备收发数据；同时，还需要有一个设备驱动-虚拟化串行口，仿效真实的串口。这个驱动必须能够像真实的串口接收和发送USB数据。

  从应用的观点，设备驱动必须能收发数据，可以通过使用一个虚拟化的串口或通过转化为USB 数据实现。微软提供了一个叫作USB POS的设备驱动，它允许应用程序访问USB设备时，好像它们连接到标准串口上一样。系统大致结构方框图如图1所示。
  

   

  2.2 设备要求

  在定义即将使用的微控制器时，必须说明一些通信要求，如：通信速率、频率、传输的数据量等。考虑到IC卡门禁考勤系统有效的通信速率，可以把转换器作为一个低速的设备使用，低速设备通信速度可以在10~100 Kb/s的范围变化。考虑到传输的数据量和传输的频率， 此系统中使用中断的传输类型。中断传输可以在2个方向进行，但不能同时进行,这种类型的传输要求在规定的时间里完成相当大数据量的传输任务。

  对于转换模块，它可以用于PC机的数据收发，操作系统提供了HID驱动， 允许使用中断传输模式。对于低速设备的一个事务，中断传输最大的包容量是 8字节，如果需要发送大量的数据，则必须把它分割为很多事务。

  转换模块要定义的另一个特性是所需端点数。如上所述， 端点是微控制器在USB通信过程中所用来发送和接收数据的缓冲区。此系统中，该转换器定义了2个端点：一个端点（端点0）用来控制传输，另一个端点是中断输入端点，定义为发数据给PC机。

  根据以上要求，通过研究比较现有的微控制器，考虑到如内存空间、价格和开发包等因素，我们选用Cypress家族的一种8位RISC微控制器CY7C634XX/5XX。 它使用哈佛总线结构，是对较高 I/O要求的低速应用设备的低价解决方案。

  图2为IC卡门禁考勤系统USB通信实现硬件方框原理图。
  

   

  3 软件设计和执行

  系统软件由6部分组成：定义描述符、设备检测和列举、端点中断服务程序、USB数据交换模块、串行口数据交换模块、USB/Serial模块接口。 下面简要描述其中部分模块程序的功能和实现思想。

  3.1 描述符定义

  描述符是数据结果或信息的格式化块,它可以使主机知道这个设备。每个描述符包含了这个设备整体的信息或者某个元素的信息。所有的USB外设必须响应对标准的USB描述符的请求。

  该系统中使用了1个接口和2个终端(控制和中断输入)。由于受Win98的限制还不能使用中断输出终端,因此为了解决这个问题，我们通过在端点0中使用SetReport传输PC机欲送往IC卡门禁考勤设备的数据。

  数据接收是在Output Reports中完成的。它根据送往IC卡门禁考勤设备最大的数据量，系统定义为16K个8位域。发送数据给主机是在输入报告中完成的，它是8K个8位域。

  3.2 设备检测和列举

  当1个USB 人机接口类（HID）设备第一次连接到总线， 它将被总线供电但仍然非功能性等待1个总线复位。D-端的上拉电阻通知Hub连接上了新的设备，主机也同时知道了新连接的USB设备，并将它复位。紧跟输入包之后，主机发送1个配置包，从缺省地址0处读取设备描述符。读到描述符后，主机将分配一个新的地址给设备，并继续查询关于设备描述、配置描述、人机报告描述的信息，设备将开始对新分配的地址作出反应。根据从设备处返回的信息，主机知道了被设备支持的数据终端的数量，完成列举过程。列举结束后，Windows将把新的设备加入到控制面板的设备管理器中显示。

  为此，在微控制器中必须写入访问描述符的代码，这样便于对主机在列举设备时发送的请求作出有效的辨识和响应。在设备方面需要创建一个INF文件，使Windows能够辨识设备，并且为设备找到其驱动。由于操作系统提供了简单的INF文件，因此，开发中只需要编写写入到微控制器中的程序。

  3.3 数据发送和接收过程

  发送数据到门禁考勤系统是通过控制端点0中使用SetReport来完成的。主机先向门禁考勤系统请求发送数据，设备响应请求后，主机便开始执行。 当有数据到达设备的终端0时，将对设备产生一个中断。此时，相应的中断服务程序便将数据复制到数据缓冲区。 一旦进入端点0的中断服务程序，所有的中断必须关闭，确保能够正确地复制数据。

  微处理器的数据缓冲区编程为可以接收64个字节，这个值是存放在设置包的包头请求信息中。从主机处接收到的最大包大小，是根据它将发送给门禁考勤系统的最大数据量来决定的。

  系统还使用了Put_command线程，通过1个 I/O端口引脚，向门禁考勤系统串口发送数据。在执行此线程时，根据串口通信协议插入了起始位、停止位以及相应的延时。

  从门禁考勤系统接收数据的过程是利用端点1完成的。端点1配置为1个中断输入端点，当有1个起始位到达引脚时，GPIO中断必须打开，并关闭所有其它类型中断。 设计中通过使用1个Get_Serial线程来收集I/O引脚发出的串行数据，并把它存入数据缓冲区。 同时该线程负责检验接收到的起始位和停止位的正确性。当收到8个字节时，将接收缓冲区中的数据复制到终端1的缓冲区，并且允许微处理器响应中断输入请求。

  考虑到一般串行口的有效波特率的范围在300~19 200 bps， 我们按处于最大波特率19 200 bps 的情况来考虑, 传输1个字符需要时间接近0.75 ms；而1个输入中断大约每10 ms送1个8字节的数据包,因此，设计1个128字节的快速数据缓冲区便可以保证不会丢失数据。

  RS232-USB接口转换模块用于改进我们的IC卡门禁考勤系统，使用效果良好。