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0 Prefácio
Recentemente, tenho vontade de estudar o protocolo USB e vi alguns comentários dizendo que estava confuso sobre como escolher um módulo de porta USB para serial. Na verdade, sempre quis escrever um artigo resumido sobre o porta serial e aproveite esta oportunidade para melhorá-la.
1 A composição de um protocolo de comunicação
O chamado protocolo de comunicação, como o nome sugere, é essencialmente um acordo, ou seja, um acordo.Todos concordam com alguns padrões de comunicação, para que todos possam projetar e produzir produtos de acordo com esse padrão, e evitar a situação de que o produto A não é compatível com o produto B.
Então pense primeiro: o que um protocolo de comunicação precisa estipular?
De um modo geral, inclui principalmente três aspectos:
- Os atributos físicos são principalmente as características externas do plug ou interface acordado. Incluindo a aparência do plugue (formato físico), quantos pinos ele possui (definições dos pinos), etc.
- Atributos lógicos Os atributos lógicos concordam principalmente com o tempo de transmissão de dados por este protocolo. Porque no próprio processo de transmissão de dados, os dados que precisam ser transmitidos não são transmitidos diretamente em sequência. Dessa forma, a extremidade receptora não sabe por onde começar a receber, e a transmissão de dados será caótica. Portanto, os dados geralmente é dividido em pequenos pedaços e depois adicionado Alguns caracteres fixos são compostos de "um quadro" e depois transmitidos. A extremidade receptora também os analisa de acordo com o formato de quadro acordado. Desta forma, a transmissão de dados pode ser realizada de forma ordenada.
- Propriedades elétricas Em protocolos comuns de transmissão de dados seriais, são transmitidos sinais digitais, ou seja, 0 e 1 são utilizados para representar os dados que precisam ser transmitidos, portanto, é necessário esclarecer quanto a tensão representa 0 e quanto a tensão representa 1. .
O conteúdo a seguir também será desenvolvido de acordo com as ideias acima.
Por fim, vamos explicar brevemente os conceitos de alguns substantivos básicos:
- Simplex : significa que a transmissão de informações é unidirecional, apenas de A para B, não de B para A.
- Duplex : A transmissão de informações é bidirecional e AB pode trocar informações
- Half-duplex : Em primeiro lugar, a transmissão da informação é bidirecional, mas não pode ser feita ao mesmo tempo, ou seja, ou A está transmitindo para B, ou B está transmitindo para A, e ambos não podem ser feitos ao mesmo tempo.
- Full duplex : A transmissão de informações não é apenas bidirecional, mas também pode ocorrer simultaneamente.
2 Explicação dos termos de protocolo comumente usados
2.1UART
Para estudantes que brincam com microcontroladores, o UART pode ser o primeiro protocolo de comunicação serial ao qual eles estão expostos. Basicamente, todo microcontrolador tem dois pinos, TXD e RXD . Este é o chamado receptor / transmissor síncrono Universal A , comunicação serial assíncrona.
- Atributos físicos : Geralmente não há requisitos para a interface, você pode personalizá-la de acordo com suas próprias necessidades, mas geralmente existem três fios: RXD, TXD, GND e, às vezes, o sinal de alimentação VCC é adicionado.
- Atributos lógicos : isto é, o tempo de transmissão dos dados.Esta pode ser a informação que mais nos preocupa. É também o conteúdo principal da escrita de código: definir a taxa de transmissão, definir vários bits de dados, se há verificação de paridade, etc., que é a chamada configuração da porta serial.
- Propriedades elétricas : Use níveis lógicos positivos , ou seja, 5V/3,3V é 1; 0V é 0. Este é o chamado nível TTL, portanto, de modo geral, a porta serial do microcontrolador também é chamada de TTL .
Na verdade, a maioria dos microcontroladores agora usa circuitos CMOS e a tolerância de nível é maior que o TTL, mas como o TTL apareceu anteriormente, esse nível ainda é chamado de nível TTL.
Resumo :
UART não especifica o estilo específico da interface, mas apenas os pinos, por isso é mais flexível no uso real. No entanto, o nível do pino deve ser consistente com a fonte de alimentação do microcontrolador e deve-se prestar atenção à distinção entre 3,3V e 5V. UART é um periférico básico em um microcontrolador, geralmente chamado de porta serial. A comunicação entre o microcontrolador e o computador host pode ser alcançada através do módulo USB para TTL.
2.2 RS-232
RS-232 é na verdade um padrão anterior e mais amplamente utilizado. Desenvolvido em 1970 pela Electronic Industries Association (EIA) em conjunto com diversas empresas, o padrão mais recente é o RS232C (precedido por A e B). O chamado RS significa Padrão Recomendado e 232 é o número de identificação.
- Atributos físicos : RS232 especifica 25 fios, mas na verdade apenas 9 fios são comumente usados (os outros 16 fios incluem: ① 9 fios para sinais de loop de corrente, poucos dispositivos atualmente usam esses pinos; ② 6 pinos vazios; ③ Um sinal de aterramento de proteção) , e é por isso que muitas interfaces RS232 são atualmente DB9 e os plugues DB25 raramente são vistos. O plugue DB9 é mostrado na imagem abaixo.
O formato é semelhante ao da interface VGA, mas possui apenas 9 pinos. As definições desses 9 pinos são as seguintes
| abreviação | Núcleo DTE25 (macho) | Núcleo DCE25 (mãe) | Núcleo DTE9 (macho) | Núcleo DCE9 (mãe) | Explicação da função de sinal |
|---|---|---|---|---|---|
| TXD | 2 | 3 | 3 | 2 | Enviar dadosTransmitir dados |
| RXD | 3 | 2 | 2 | 3 | Receber DadosReceber Dados |
| GND | 7 | 7 | 5 | 5 | Campo de sinal |
| RTS | 4 | 5 | 7 | 8 | Exigir envio |
| CTS | 5 | 4 | 8 | 7 | Limpar solicitaçãoLimpar para enviar |
| DSR | 6 | 20 | 6 | 4 | Conjunto de dados prontoConjunto de dados pronto |
| DCD | 8 | 8 | 1 | 1 | Detecção de sinal de linha de recepçãoData Carry Detected |
| DTR | 20 | 6 | 4 | 6 | Terminal de dados prontoData Terminal pronto |
| RI | 22 | 22 | 9 | 9 | Indicação de toque |
Entre elas, as três primeiras linhas são linhas necessárias e as últimas seis linhas são, na verdade, sinais de controle de fluxo , que podem não necessariamente ser usados no uso real.
- Atributos lógicos : Vale ressaltar que o tempo do RS232 é na verdade o mesmo do UART mencionado acima . A taxa de transmissão, bits de dados, bits de verificação, bits de parada, etc. também precisam ser definidos. No entanto, deve-se notar que a configuração da taxa de transmissão RS232 geralmente não excede 19.200, porque o limite superior da transmissão RS232 é de 20kbps.
- Propriedades elétricas : RS-232 usa níveis lógicos negativos , lógica 1: -15V ~ -3V lógica 0: +3V ~ +15V
Resumo
RS-232 é um método de comunicação full-duplex. O tempo é o mesmo do UART, mas as propriedades elétricas são diferentes. Além disso, ele só pode alcançar comunicação de ponto único, e a taxa máxima de comunicação é de 20kbps e a distância máxima de comunicação é de 15m.
2.3RS-485
- Propriedades físicas : O RS-485 é transmitido através de linhas diferenciais, por isso geralmente requer dois fios (mais um fio terra de referência no máximo). Geralmente são usados pares trançados, o que pode reduzir ao máximo a interferência. Portanto, sua distância de transmissão é maior, até 4.000 pés (cerca de 1.219 metros) , e a taxa máxima de transmissão pode chegar a 10 Mbps (dentro de 40 polegadas, cerca de 12,2 metros)
- Atributos lógicos : Por se tratar de uma linha de sinal diferencial, depende da diferença de tensão entre os dois pinos para determinar se é lógico 0 ou lógico 1.
- Propriedades elétricas : Um desses dois fios é A e o outro é B. A tensão nesses dois fios deve ser de -7 ~ + 12 V. A extremidade emissora deve fornecer uma tensão diferencial de pelo menos 1,5 V, e a extremidade receptora A extremidade requer dois fios. A diferença de tensão na linha é de pelo menos 200mV. Quando a diferença de tensão na linha AB é ≥200mV, é reconhecida como lógica 1; quando a diferença de tensão na linha AB é <200mV, é reconhecida como lógica 0.
Resumo
Comparado com a comunicação de ponto único do RS-232, o RS-485 suporta comunicação de barramento e um máximo de 32 dispositivos podem ser montados no barramento (este número parece estar relacionado à impedância do barramento). RS-485 é um protocolo de comunicação half-duplex.
2.4RS-422
RS-422 é na verdade dois conjuntos de 485, um par de transmissão e um par de recepção, portanto são necessários 4 fios para obter comunicação full-duplex. Mas, na verdade, o RS-422 é baseado no RS-232, que é anterior ao RS-485. Embora 422 e 485 sejam transmissão de sinal diferencial, suas características elétricas são diferentes de 485.
RS-422 também suporta a montagem de vários dispositivos no barramento, mas não tantos quanto 485. Ele suporta apenas 10 dispositivos. A distância máxima de transmissão e a taxa máxima de transmissão são as mesmas do RS485.
2.5 Comparação
3 chips comumente usados
Chips comumente usados para USB para porta serial incluem CH340 , CP2102 , FT232 e PL2303 . Eles podem ser usados diretamente. Para uso específico, é recomendado consultar o manual oficial, principalmente para ver o exemplo de uso do circuito.
O que precisa ser observado sobre o MAX232 é que sua função é a conversão de nível, ou seja, converter níveis TTL e níveis RS-232 entre si.Portanto, geralmente é necessário conectar um protocolo USB à porta serial para se comunicar com o computador USB .