RS232：基礎、實現和規範

為什麼選擇 RS232？

從電話線上的簡單模擬通信到用於數據交換的典型 USB 電纜，我們在通信領域取得了長足的進步。RS232是此旅程中達到的第一個里程碑。它是 EIA 無線電部門於 1962 年推出的用於數字數據交換的機電打字機和數據機的標準。它使模擬通道上的數據交換更加可靠。標準定義的電壓水平使其免受雜訊干擾並減少數據交換中的錯誤。

隨著技術的發展，許多電子設備在此期間被開發出來，如計算機、印表機、測試儀器等。有一段時間，製造商覺得有必要在這些電子設備之間交換信息。例如計算機與印表機或兩台計算機之間的數據交換。但是沒有標準或方法來完成這項任務。RS232是當時用於數據交換的唯一可用標準。因此，他們考慮在電子設備中採用該標準進行數字數據交換。但該標準無法滿足要求，因為它是專門為數據機和電傳打字機開發的。噸

o 克服這個問題，設計人員開始實現與他們的設備兼容的 RS232 介面。像惠普的電腦就只能使用惠普的周邊設備。正因為如此，市場上充斥著不同的製造商，他們有自己的設備標準。這導致了常見問題，例如連接器上電路的非標準引腳分配，以及不正確或丟失的控制信號。缺乏對標準的遵守產生了一個蓬勃發展的行業，包括用於連接不同設備的分線盒、接線盒、測試設備、書籍和其他輔助工具。因此，為了結束設備上的所有這些差異，製造商聯合製造了一個提供+5V和-5V的發射器，並將它們標記為「RS-232」兼容，並且它們迄今為止都是相同的。該標準在最初的標準之後經過多次修訂，並由電子工業協會更新。標準名稱也從 RS232 更改為 EIA232。電子工業協會發布了三項修改，最近的一項是 1997 年推出的 EIA232F。

什麼是 RS232 – 「推薦標準 232」

RS-232 是一種標準的通信協議，用於連接計算機及其外圍設備以允許進行串列數據交換。簡單來說，RS232 定義了用於設備之間數據交換的路徑的電壓。它規定了公共電壓和信號電平、公共引腳線配置以及控制信號的最小數量。如上所述，該標準是根據機電電傳打字機和數據機系統的規範設計的，並且沒有定義在計算機和印表機之間進行數據傳輸時必不可少的元素，例如字元編碼、字元框架、錯誤檢測協議等。沒有它就無法在計算機和印表機之間傳輸數據。為了克服這個問題，一個稱為通用非同步接收器/發送器的稱為 UART 的集成電路與 RS232 結合使用。

這就是整個安排的運作方式。

圖 1： PC 和設備之間使用 RS232 協議進行串列數據交換的示意圖

從該圖中可以清楚地看出，UART、線路驅動器和 RS232 是系統中的三個獨立部分，每個部分都有自己的特點。UART 和線路驅動器是 RS232 中用於在串列數據交換期間提高系統質量的部分。

EIA給出了一個標準定義，將RS232定義為「數據終端設備和數據通信設備之間的介面」。典型的 RS232 系統如下所示。

圖 2： 解釋典型 RS232 系統的圖像

DTE ——DTE代表數據終端設備，是將用戶信息轉換為信號或對接收信號進行再轉換的終端儀器。它是站的功能單元，作為數據源或數據宿，並根據鏈路協議提供通信控制功能。公連接器用於 DTE 並具有引腳配置。

DCE -A DCE 代表數據通信設備。它位於 DTE 和數據傳輸電路（例如數據機）之間。DCE 設備使用一個在表面上有孔的母連接器來固定公連接器。

DTE 和 DCE 設備之間的通信至少需要三個信號。這些信號是傳輸線、接收線和地。這兩個設備通過握手相互通信。它允許 DTE 和 DCE 設備系統在發送數據之前相互確認。

握手是 DTE 設備在實際傳輸數據之前向 DCE 設備發送信號以在設備之間建立連接的過程。它設置兩個設備之間建立的通信通道的參數，然後才開始通過該通道進行正常通信。它遵循通道的物理建立並在正常信息傳輸之前。握手使得通過通信通道連接相對異構的系統或設備成為可能，而無需人工干預來設置參數。 RS232 中使用了相同的概念，以允許兩個設備在實際交換信息之前相互通信。

所有這些術語放在一起給出了從 DTE 到 DCE 的 RS232 系統的完整圖景，其中 UART、線路驅動器和 RS232 作為它們之間的連接。

實施與規範

RS232標準的實現

圖 3： 解釋 RS232 在設備中實現的框圖

RS-232 介面與 UART 通用非同步接收器/發送器結合使用。它是集成在處理器或控制器內部的一塊集成電路。它需要位元組並以幀中的順序方式傳輸各個位。幀是定義的結構，承載有意義的位或位元組數據序列。它有一個起始位，後跟 8 個數據位、一個奇偶校驗位和一個停止位。一旦數據轉換為位，就使用單獨的線路驅動器將 UART 的邏輯電平轉換為 RS-232 邏輯。最後，信號以指定的 RS-232 電壓電平沿介面電纜傳輸。數據通過 RS232 串列發送。每個位一個接一個地發送。噸

他的傳輸模式要求接收器知道實際數據位何時到達以與即將到來的數據同步。因此，邏輯 0 作為起始位發送。幀中的起始位向接收器發出一個新字元即將到來的信號。一旦接收器確認接下來的五到八位被發送，代表字元。其後是用於錯誤檢測的奇偶校驗位。奇偶校驗位用於指定一組位中的偶數或奇數個。對於錯誤檢測，我們在數據字中添加了一個額外的位。發送器根據發送的信息計算位的值，接收器也執行相同的計算。它檢查計算值的奇偶校驗值。停止位幫助接收者識別消息的結束。起始位始終具有空格值，而停止位始終具有標記值。現在，如果接收器在停止位應該存在時檢測到除標記以外的值，它就知道存在同步錯誤。這會導致接收 UART 中出現幀錯誤情況。然後，設備嘗試在新的傳入位上重新同步。在另一端，線路驅動器介面再次將其轉換為與 UART 兼容的邏輯電平。在目的地，第二個 UART 將這些位重新組合成位元組。這就是 RS232 使數據交換兼容和可靠的方式。

標準 RS232 規格

RS 232 被稱為一個完整的標準。它不僅定義了電氣特性，還定義了功能和機械特性，從而確保了完美的兼容性。例如電壓電平、壓擺率、信號速率、可插拔連接器、引腳標識等。此框圖中總結了所有規範及其值和示例。

圖 4： 總結標準 RS232 規格的框圖

本節處理對標準中每個特徵的詳細理解。

電氣特性

它包括電壓等級規範；壓擺率和耐壓水平。RS232 引腳輸出信號由相對於公共端的電壓電平表示。它指定最大電路電壓為 25v。在發送器端，驅動器輸出指定電壓+3v 至 +15v為高電平，-3v 至 -15v 為低電平。同樣，接收器輸出高電平電壓為+3v至+15v，低電平電壓為-3v至-15v。應該知道接收器邏輯提供+2v 雜訊容限。+3v 和 -3v 之間的死區旨在吸收線路雜訊。在 RS232 規範中，低電平 -3v 到 -15v 被定義為邏輯 '1'為 ON 狀態並稱為「標記」，而高電平 +3v 到 +15v 被定義為邏輯「0」作為關閉狀態並稱為「間隔」。RS232 標準還限制了最大轉換速率，從而減少了兩個信號之間的串擾。轉換速率定義為輸出電壓相對於時間的變化率。RS232 的最大允許壓擺率為 30v/微秒，這會減慢上升和下降時間並減少串擾。驅動 RS-232 兼容介面的電路必須能夠承受無限期的接地短路或高達 25 伏的任何電壓電平。一些計算機設備忽略負電平並接受零電壓電平作為關閉狀態。輸出信號電平通常在+12V 和-12V 之間擺動。

RS232邏輯規格圖

圖 5： 顯示 RS232 電氣特性的圖表

機械特性

該區域與機械介面有關。

最初使用標準的 25 針連接器。它指定了可以容納所有信號的最小連接器尺寸。每個引腳都已預先定義，以允許主機和外圍系統之間的兼容性。數據終端設備使用公連接器，數據通信設備使用母連接器引腳。 與連接器相關的另一個重要概念是性別類型。在電氣和機械行業中，每個連接器都是成對出現的。一個是公連接器，另一個是母連接器。公連接器的針腳突出在表面上，而母連接器上有孔以固定公連接器。在 RS232 中，DTE 具有公頭 D-25 連接器，而 DCE 具有母頭 D-25 連接器。D-SUB 25 MALE 和 D-SUB 25 FEMALE 連接器的組合用於通過指定公共電壓和信號電平、公共針線配置和最小控制信號量來連接 DTE 和 DCE。

圖 6：基於 RS232 的系統中 D-SUB 25 MALE 連接器的圖像

25 位連接器被廣泛使用，但現在它是 9 針連接器，用於許多應用。在大多數情況下，這已經足夠了，因為 RS232 25 針連接器上可用的許多線路很少使用。9 路連接器能夠為大多數應用程序提供所有所需的連接，並允許應用程序根據要求傳輸和接收必要的信號。

一個 25 針和一個 9 針連接器如下所示。

圖 7：25 針和 9 針連接器中的針號

規格續

功能特性

這是與 RS232 規範有關的第三個領域。它定義了介面中使用的不同信號的功能。這些信號被定義為四類：數據、通用、控制和定時。表中使用的術語很少，例如環回、摘機或掛機以及輔助信道。

Loop Back——在交換中心進行線路傳輸測試的一種方法。環回允許用戶測試自己的網路以確保其正常運行。

摘機 – 在撥號或通信期間使用電話或其他用戶儀器時發生的情況。它最初用於具有單獨耳機（接收器）的電話，該耳機掛在開關掛鉤上，直到用戶想要使用它。

輔助通道——這些是數據通道，具有與第一個通道相同的功能。例如輔助傳輸數據 (STD)、輔助接收數據 (SRD)、輔助請求發送 (SRTS)、輔助清除發送 (SCTS) 和輔助載波檢測 (SDCD)。

下表顯示了不同的信號及其功能

圖 8： 總結 RS232 引腳說明的表格

正如我們所見，該標準提供了豐富的控制信號。只有少數應用需要所有定義的信號，否則只使用很少的信號，例如典型的數據機只使用八個信號，有些可能只需要四個，兩個用於數據，兩個用於握手，而其他可能只使用數據信號而不使用握手.

握手與結論

握手

RS232中的握手俗稱「RTS/CTS」握手。數據終端設備置位 RTS 引腳以指示希望向 DCE 傳輸，然後 DCE 通過 CTS 引腳響應以授予許可。此後數據機在不需要時禁用它們的發射器，並且當它們再次重新啟用時必須向接收器發送同步信號在最新版本的 RS232 E 標準中，重新定義了握手，其中 CTS（清除發送）不再是對 RTS 的響應，而是它表示 DCE 對 DTE 設備的許可。以類似的方式，RTS 指示 DTE 允許 DCE 發送數據。RTS 和 CTS 由 DTE 和 DCE 控制，相互獨立。解釋了具有 8 條信號線的詳細握手系統。

圖 9： 顯示 RS232 握手系統細節的框圖

當 Data Carrier Detect 關閉時，它向本地終端指示遠程 DTE 尚未打開其 RTS，本地終端可以控制線路。當該電路在本地接通時，它向本地終端指示遠程數據機已從其終端接收到 RTS ON 條件，並且遠程 DTE 控制著載波線路。RXD 代表從數據機接收數據到 DTE。TXD 將數據從 DTE 傳輸到數據機。DTR 數據終端就緒引腳通常在終端準備通過其數據機建立通信通道時打開。但是當 DTR 不想接受來自遠程終端的呼叫時，電路關閉。當在兩個站點之間建立通信路徑時，兩個數據機都會打開它們的數據集就緒電路。現在，當終端準備好發送時，它打開請求發送電路，指示本地數據機它已準備好發送數據。這個請求被傳遞到遠程數據機。RTS 控制數據傳輸的方向。一旦終端準備好發送本地數據機，就會打開 CTS 電路以指示它準備好接收來自 DTE 的數據。它還可以控制電話線。接下來，當數據機接收到呼叫時，振鈴指示器會打開/關閉，通知 DTE 呼叫即將到來，表明遠程數據機正在請求撥號。這是一個帶有 8 條信號線的簡單握手系統。一旦終端準備好發送本地數據機，就會打開 CTS 電路以指示它準備好接收來自 DTE 的數據。它還可以控制電話線。接下來，當數據機接收到呼叫時，振鈴指示器會打開/關閉，通知 DTE 呼叫即將到來，表明遠程數據機正在請求撥號。這是一個帶有 8 條信號線的簡單握手系統。一旦終端準備好發送本地數據機，就會打開 CTS 電路以指示它準備好接收來自 DTE 的數據。它還可以控制電話線。接下來，當數據機接收到呼叫時，振鈴指示器會打開/關閉，通知 DTE 呼叫即將到來，表明遠程數據機正在請求撥號。這是一個帶有 8 條信號線的簡單握手系統。

結論

RS232成為連接數據機、印表機、滑鼠、數據存儲和其他外圍設備的個人計算機的標準功能。儘管有許多新的發展，但 RS232 仍然找到了它的應用。第一個也是最重要的原因是標準的簡單性。它允許用戶直接與串列埠通信。由於使用非常昂貴但老化的設備，實驗室、自動化、測量等領域對 RS232 的需求持續存在。使用 RS232 比更換設備便宜得多。不僅是舊設備，而且現代自動化設備，如伺服驅動器、CNC 設備等，都可以通過 RS232 進行編程。東芝還在筆記本電腦上重新引入了 DE-9M 連接器。帶有 RS-232 的串列埠用於與無頭系統通信，例如在引導期間未安裝鍵盤的伺服器。一些嵌入式系統使用 RS232 串列埠作為替代網路模式監控進行通信。