串口似乎是一個(gè)比較模糊的概念，UART、COM口、RS-232、RS-485等名稱有時(shí)都會被稱作串口，但是從應(yīng)用電路上看，三者又顯然存在差異。個(gè)人理解，我們通常所說的串口是使用串行通信協(xié)議的一類接口，而RS-232則是串口通信的一種電平標(biāo)準(zhǔn)。下文將針對EIA發(fā)布的《Electronic Industries Association (EIA) RS-232-C Interface Standard》為基礎(chǔ)，對相關(guān)問題進(jìn)行討論。

1.傳輸速率受什么限制

EIA的標(biāo)準(zhǔn)里明確給定了傳輸速率的上限為20 kbit/s，但是如圖1所示的MAX3232的數(shù)據(jù)手冊表明，其傳輸速率可達(dá)到250 kbit/s，可見，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的傳輸速率是可以打破的。那么傳輸速率的限定是基于什么考慮呢？

圖1 MAX3232數(shù)據(jù)手冊

懷疑點(diǎn)1：高頻信號傳輸過程中發(fā)生衰減，不滿足信號質(zhì)量要求

標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，RS-232的電平判決門限為±3V，且負(fù)載電容不得大于2500pf，負(fù)載電阻在3k~7kohm之間。GB 11014-89附錄1中關(guān)于電壓衰減的要求為6dBV，這里采用更為嚴(yán)苛的電壓衰減3dB的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

圖2 GB 11014-89附錄1的相關(guān)設(shè)定

計(jì)算前假設(shè)輸出電壓為±15V，總線電容為2500pf，負(fù)載電阻取3kohm，根據(jù)GB/T 6107-2000中關(guān)于互連電纜直流電阻的約束，輸出電阻和直流電纜的阻值設(shè)定為25ohm，得到等效電路如圖3所示。

圖3 串口通信等效電路

圖4 GB/T 6107-2000相關(guān)約束

按傳輸速率為20kbit/s，則總線電容的阻抗值為：

則電壓在終端的幅值為：

可見，電壓衰減幅度遠(yuǎn)未達(dá)到3dB。

• 懷疑點(diǎn)2：為了滿足上升時(shí)間的要求。

標(biāo)準(zhǔn)中有如下一段說明：

The time required for a data or timing signal to pass through the transition region must not exceed one millisecond or 4 percent of the normal duration of a signal element on that interchange circuit, whichever is the lesser.

這應(yīng)該是網(wǎng)上所謂的碼元畸變率不大于4%的出處，但我個(gè)人認(rèn)為，這里的翻譯應(yīng)為通過過渡區(qū)間的時(shí)間不大于正常信號持續(xù)時(shí)間的4%比較合適。即對于20kbit/s的傳輸速率，通過±3V的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)大于2us。由于輸出阻抗和負(fù)載阻抗不在一個(gè)量級，將圖3的電路進(jìn)一步簡化，看成是一個(gè)簡單的一階RC電路，其電壓變化應(yīng)符合以下表達(dá)式：

當(dāng)VT為±3V時(shí)，即VT分別0.4和0.6，計(jì)算可得：

可見，上升時(shí)間的余量也是很充足的。

懷疑點(diǎn)3：經(jīng)驗(yàn)取值。

RS-232是一個(gè)比較“古老”的標(biāo)準(zhǔn)，它是由EIA在上世紀(jì)70年聯(lián)合多家廠商一起制定的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，一般而言，標(biāo)準(zhǔn)的制定是為了增強(qiáng)不同廠家之間的兼容性，因此可以推測，在該標(biāo)準(zhǔn)問世之前，各廠家應(yīng)該已經(jīng)用上了串口通信，那么各項(xiàng)指標(biāo)在可以滿足需求并留有裕量的情況下，完全可以“拍腦袋”決定（可能是基于當(dāng)時(shí)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無從查證）。另外，串?dāng)_可能是需要考慮的其中一個(gè)因素，因?yàn)镽S-232并非差分信號，因此其抗干擾的能力較弱，而速率越快，往外輻射干擾的能力就越強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)中電壓斜率不能超過30V/us的規(guī)定就是基于防止串?dāng)_的考慮，但串?dāng)_大小同樣不好定量評估，只能認(rèn)為是經(jīng)驗(yàn)取值。另外，2500pf總線電容的限制也并未找到出處，電容的大小最直接影響的便是信號的上升時(shí)間，但前述已說明上升時(shí)間的裕量十分充足，因此此處認(rèn)為總線電容的限制也是經(jīng)驗(yàn)取值之一。

2.傳輸距離受什么限制

很多地方都描述RS-232的通信距離最大為15m，還是看標(biāo)準(zhǔn)原文：

The use of short cables, each less than 50 feet or 15 meters, is recommended. Use of longer cables is permissible, however, provided that load capacity requirements are met。

可見，15m并不是硬性要求，當(dāng)使用負(fù)載電容較小的電纜時(shí)，通信距離可以增加。具體需要考慮的因素可以參照GB 12166-90的附錄A，如圖5所示：

圖5 GB 12166-90附錄A

GB 12166-90說明了數(shù)字接口的最大工作距離是主要是近端串?dāng)_總和的函數(shù)，在限定了線纜類型（雙絞同芯電話電纜，同時(shí)也給定了線間電容）、串?dāng)_水平（近端串?dāng)_小于1V）以及驅(qū)動能力（12V峰峰值）等因素，得到了一條速率或長度與上升時(shí)間之間的關(guān)系。由此出發(fā)考慮最大通信距離應(yīng)該是比較全面的。

3.串口通信協(xié)議——以UART協(xié)議為例

一般而言，通信過程可大致分為：握手—發(fā)送—接收—校驗(yàn)—應(yīng)答等步驟，UART是一個(gè)異步通信標(biāo)準(zhǔn)，在通信設(shè)備之間只傳遞數(shù)據(jù)信號，不傳遞時(shí)鐘信號，在通信前，首先要對兩臺通信設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，比如：傳輸速率、幀格式等。圖6為異步通信協(xié)議的幀格式。

圖6 異步通信協(xié)議幀格式

串口總線空閑時(shí)為高電平，當(dāng)接收設(shè)備接收到低電平時(shí)，意味著通信開始。在起始位為七位數(shù)據(jù)，一般從低位開始傳輸，第九位為數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，UART通信采用奇偶校驗(yàn)。最后一位為停止位，即把總線電平拉高。從UART通信的協(xié)議可以看到，握手的過程在通信前的設(shè)定，起始位后不用等對方應(yīng)答便開始傳輸數(shù)據(jù)，在完成一幀數(shù)據(jù)傳輸后，也不必等待對方應(yīng)答，看數(shù)據(jù)是否傳輸成功，總的來說是一種較為簡單的通信協(xié)議。