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深度探索串口通信

2019-07-12 17:25发布

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串口通信，用的太多了，然而一直没有深入研究过。从刚开始入门单片机，就学习了如何用电脑和单片机通信，但是一旦通信成功后，就再也没有仔细去深入研究过了。这次在使用嵌入式Linux开发板的过程中，被一个问题卡了很久很久，使得我重新认识了串口通信。 问题初现 JZ2440开发板带有1个USB-COM口，三个普通的COM口。电脑通过一条USB线，插到板子的USB-COM口，与板子相连，用来发送控制命令。现在我想使用普通的COM口来和电脑通信，笔记本电脑不带COM口，所以常规的做法就是接一条USB转串口线来实现。
 接好之后，开发板串口测试程序也写好了，于是，我打开了电脑上的串口调试助手，开始调试。结果发现，从开发板发过来的数据，跟调试助手显示的不一致。我从开发板发送“ttttt”，电脑收到的十六进制是D1 D1 D1 D1 11。从ascii表上，查到't'应该是74，完全对不上。从此，我陷入到了维持几乎两周的困境。 噩梦开始 1.怀疑COM2口本身坏了，换成旁边的COM3，依旧如此，更换了USB转串口线，还是如此。 2.仔细检查程序是否存在bug，并没有。 3.检查串口参数设置是否一致。波特率、数据位、校验位、停止位、流控，全部都一致。 4.接下来，我开始从发送和接收的数据上来推算，某些规律。
下面是一些测试：
发送一个0x01
电脑串口助手发送 0000 0001
开发板收到的 是   0111 1111
感觉上是位的位置对调，然后全部取反了。电脑和开发板的取位顺序不一致？

发送两个0x01
电脑串口助手发送 0000 0001 0000 0001
开发板收到的是   0111 1111 0111 1111
是一样的。

发送一个0x02
电脑串口助手发送 0000 0010 
开发板收到的 是  0011 1111
这个已经不符合上面的推测了

发送两个个0x02
电脑串口助手发送 0000 0010 0000 0010
开发板收到的 是   1011 1111 0011 1111 
跟上面发送一个0x02相比，很奇怪，感觉错位了。

我凌乱了。。。

5.我开始怀疑是不是编码的问题，找了一些编码转换函数，依旧没什么变化。 6.开发板COM2的TXD和RXD脚短接，自发自收，发送的跟接收的是一致的。同样的，将USB转串口线上的2号脚和3号脚短接，串口调试助手自收自发，结果也是一致的。可以得出的结论是，两边各自都没有问题，一旦相互，就出现了问题。 7.再次怀疑编码的问题，难道Linux和Windows的编码方式不一样？网上讲了一大堆ASCII，UTF-8，Unicode等，丝毫帮不上忙。 8.我开始寻求外援，最后给到的最好的答案是用示波器来观察电平。 刚开始我很怀疑，发送的数据能在示波器上显示出来？不尝试怎么会知道。我先来测试电脑发送的数据波形图，毕竟电脑或者说串口调试助手都是比较稳定的东西，一般都不会错。设置10ms重复发送0x01，真的就看到了图，慢慢调节后，图就出来了。然而，出来的图跟预想的不一样，其实我压根就不知道应该是什么样的图。只知道0和1表现为一高一低的方波。去网上一搜，才知道了真相。
 不得不重新来认识一下串行数据的格式，以下内容来自网上一篇文章，也不知道作者是谁，感谢作者。 ————————————————— 引用 ———————————————— 异步串行数据的一般格式是：起始位+数据位+停止位，其中起始位1 位，数据位可以是5、6、7、8位，停止位可以是1、1.5、2位。起始位是一个值为0的位，所以对于正逻辑的TTL电平，起始位是一位时间的低电平；停止位是值为1的位，所以对于正逻辑的TTL电平，停止位是高电平。对于负逻辑(如RS-232电平)则相反。 例如，对于16进制数据0x55aa，当采用8位数据位、1位停止位传输时，它在信号线上的波形如图1(TTL电平)和图2(RS-232电平)所示。 （先传第一个字节55，再传第二个字节aa，每个字节都是从低位向高位逐位传输）  
图1 TTL电平的串行数据帧格式(0x55aa)  
图2 RS-232电平的串行数据帧格式(0x55aah) ————————————————————————————————————
里面我要重点强调“每个字节都是从低位向高位逐位传输”这一点，如0001这个，示波器图形表现为1000。 另外，终于明白了数据格式的真正的具体形式：起始位+数据位+停止位，从上面的图中就能很清晰看出。 当时着急寻找答案，忘了拍波形图，从网上down来一张，仅供演示：

回到前面我说图形跟数据对不上，实际是自己压根就不懂，瞎猜的。图像跟我所发的数据完全一致。同样的，我测试了开发板串口发出的数据，图形也是吻合的。那就奇怪了，因为示波器是同一个，开发板和电脑给示波器发同一个指令，得到的是一样的图形。这就没问题啊，为什么两者一连通就出现问题了呢？ 答案初现 偶然间，我瞥见开发板发数据的图形上面，电压是3.4V。但是，在测试电脑发数据的时候，印象中是10V。回来验证了一下，果真是10V。两边电压不对等啊！连忙去看了开发板的原理图，惊呆了，COM2接口是直接从arm芯片引脚出来的，没有任何转变。常规都是通过一个MAX232芯片来转换一下才接出来。因为arm芯片引脚出来的是TTL电平，差不多3.3-5V，而RS-232电平在10-15v左右，所以不能直连，需要像MAX232这种芯片来转换一下。原来如此，问题就出在这里了，COM2是TTL电平3.4V，而USB转串口线这边是RS-232电平10V。直接连在一起就大错特错了。 新的疑问 前面说过，板子自带一个USB-COM口，于是我去研究了一下，它其实是arm芯片引脚出来接了一个PL2303芯片，这个芯片直接将串口信号转化成了USB信号。再来看我另买的USB转串口线，刚好线材是透明的，我能看到里面有个芯片也是PL2303。这就奇怪了，为什么同样都是PL2303，板子的可以直接连到芯片引脚上，而USB转串口线的必须通过一个MAX232芯片来转换呢？ 终极答案 我又仔细看了板子的PL2303芯片，全称是PL2303TA，USB转串口线里面的全称是PL2303RA，一个字母之差会有什么区别呢？在网上找到了PL2303TA和PL2303RA的技术手册，终于真相大白了。虽然同为PL2302芯片，PL2303TA直接在TTL电平下将串口信号转换成USB信号。而PL2303RA会将电平拉高，信号转换的同时电平也变化了。 解决方案 针对COM2口，可以有两种选择：
  1. 买一个带PL2303TA的USB接头，直接插到电脑上
  2. 买一个带MAX232的9针串口，插到USB转串口线上，再插到电脑上

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