串行通信类别与帧格式-单片微机原理及接口技术

按照串行传输数据的控制方式的不同，串行通信可分为同步串行通信和异步串行通信两类。

1.同步串行通信

同步串行通信（SynchronousCommunication）是一种按二进制位帧格式连续地串行传输数据的通信方式，一次通信传送一组数据（可以是多个字节的数据）。同步串行通信时，要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，要求双方达到完全同步。在发送数据前，先要发送同步命令，再按照时钟连续发出数据，一般每个时钟周期发送1位数。同步命令可以采用单字符同步，或者多字符同步，同步命令字符帧格式如图8-3所示。

图8-3 同步串行通信帧结构

因此，同步串行通信的帧结构由同步字符（同步头或命令）、长度码、传输数据（多字节数）和校验码（可采用奇偶校验、和校验、CRC校验等）四部分组成。在实际应用中，同步命令可以采用统一的标准帧格式，也可由用户自定义。

同步串行通信的数据传输速率比较高，通常可达56000bit/s以上。但同步串行通信要求有统一的时钟，数据发送方和接收方的时钟必须保持严格同步，否则将会产生通信紊乱或出错，故实现的硬件电路比较复杂。

2.异步串行通信

在异步串行通信（Asynchronous Communication）中，数据传输以字符或者字节为单位组成帧格式传送。字符帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输线路为接收设备一帧一帧地接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，即不需要传送同步时钟，这两个时钟源彼此独立，互不同步，但要求传输速率一致。在异步通信中，两个字符之间的传输间隔是任意的，所以每个字符的前后都要用一些数位作为分隔位。

数据的发送和接收依靠字符帧格式来协调。在通信线路空闲时，发送线为高电平（逻辑1电平），每当接收端检测到传输线上发送过来的低电平（逻辑0电平）时，就知道发送端已经开始发送数据。当接收到字符帧中停止位时就知道一帧数据传输发送完毕。

在异步串行通信系统中，字符帧格式和波特率是两个重要指标，可以由用户根据实际情况选择确定。

（1）字符帧

字符帧（Character Frame）也叫数据帧，一般由起始位、数据段（数据+校验码）和停止位三部分组成，如图8-4和图8-5所示。

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图8-4 异步串行通信帧格式

图8-5 带空闲位的异步串行通信帧格式

帧格式中各字段功能如下：

起始位：只占1位，位于字符帧的开头，通常为逻辑“0”电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧数据。

数据位：紧跟在起始位之后，用户可根据情况取数据的第6位、第7位或第8位作为有效位。发送时从低位开始发送，即先发数据的第0位、再发第1位，依次逐位发送。如果是ASCII码字符，一般有效位只有前7位。

奇偶校验位：占1位，紧跟数据位之后，用于对串行通信数据进行校验，也可以由用户定义为其他控制含义。通常在数据通信时需要防止数据传输出错，确保传输数据可靠，都要进行校验。

停止位：占1位，紧跟在校验位之后，用逻辑“1”电平表示。停止位根据实际要求，可取第1位、第1.5位或者第2位，用于向接收端表示一帧数据发送完成，也可为发送下一帧数据做好准备。

在串行通信中，发送端一帧一帧地发送数据，接收端一帧一帧地接收数据，两个相邻的字符数据帧之间可以没有空闲位，也可以有1个或者多个空闲位，数据较长时可以增加长度码，通常由用户根据实际需要决定空闲位的多少。

（2）波特率

波特率（Baud Rate）是串行通信中重要的指标，单位为bit/s，表示每秒传送二进制数码的位数，也叫比特率。波特率用于表述数据传输速率，波特率越高，数据传输速率越快，但可靠性、抗干扰性会变差。因此，通信波特率的设定应该根据环境和实际需要，不能盲目求快。

波特率和字符的实际传输速率不同，字符的实际传输速率是指每秒内所传送字符数据帧的多少，而字符的实际传输速率与字符帧有关，例如，设定波特率为2400bit/s的通信系统，若采用图8-4所示的帧格式传输，每一字符数据帧包含11位，则实际传输速率为2400/11=218.182帧/s；如果采用图8-5所示的帧格式传输，每一字符数据帧包含3个空闲位，共有14位，则实际传输速率为2400/14=171.429帧/s。

异步串行通信的优点是通信双方不需要传送同步时钟，字符数据帧长度不受限制，因此设备比较简单。缺点是字符数据帧中因包含起始位、停止位而降低了有效数据的传送速率。