串口引脚定义及协议说明

一、串口引脚定义及协议说明

串口通讯，又经常被称为点对点通讯或者PtP通讯，是工业设备中的一种非常通用的通讯方式，常用于获取相对远程采集设备的数据。

串行通信，通常利用RS232C或者RS485电气接口，实现ASCII码或者Modbus通讯；其特点是通信线路简单，成本较低，用于解决不同厂商产品之间节点少、数据量小、通讯速率低、实时性要求不高的场合，如过程仪表、变频器、连接扫描仪、条码阅读器等带有串行通讯接口的设备，CP卡加载通讯协议后，还可以和支持Modbus协议的现场仪表通讯。

为了实现设备相互通讯，通讯双方的通讯接口和通讯协议要一致，最基本的串行通讯的数据帧格式和波特率也要匹配。

西门子串行通讯支持的数据帧格式：

• 起始位：1位；
• 数据位：7/8位；
• 校验位：1位奇/偶校验位，或者没有校验位；
• 停止位：1/2位。

凡是符合这些格式的串行通信设备，理论上都可以相互通信。

二、支持的通讯接口

常用的串行数据接口有:RS232C 和 RS485/422。RS-232C、RS-422/485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。

注意： 接口和协议是两个概念。

RS232C接口

RS-232C 是低速率的单端串行通讯，RS-232C 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

1.RS232C 通讯接口特点

• RS-232采取不平衡传输方式，其收、发端的数据信号是相对于信号地，抗共模干扰能力差；
• 近距离通讯，最大通信距离15m；
• 只能用于点对点（即一对收/发设备）通讯。

2. RS232C 接口定义

RS232C并未定义连接器的物理特性，不同类型的连接器引脚定义也各不相同，其中9针和25针的引脚定义对照，如图 1 所示。

图1 RS232C 串口管脚定义

最为简单且常用的是三线制接法，即Txd，Rxd和地线三根，如上图中红色（2，3）和紫色（5）三个针脚。

RS422/485 接口

RS-422/485 改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点。

1.RS422/485接口特点

• RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输；
• 平衡传输抗干扰能力更强，使传输距离更远，通讯距离最长1200米；
• 可以连接多个设备，RS422总线可支持10个节点（单机发送、多机接收的单向传输），RS485可支持32个节点（多点、双向通讯能力）；
• 网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持星型或树形；
• 传输距离超过50米，需要在两端加终端电阻330欧姆（推荐用LIYCY电缆）；

2.RS422/485接口定义

RS422/485 的端口有9针、15针，CP340/341/440/441的接口是15针，如图 2 所示。

图2 RS422/485 串口管脚定义

三、常用支持协议

常用的协议类型

• ASCII 协议，又称自由口
• Modbus 协议

1.ASCII 协议

ASCII 协议通过通讯处理器和通讯伙伴之间的点对点连接控制数据传输。

由于消息的结构完全由用户定义，用户可以以 ASCII 协议为基础开发自己的消息。在接收方只需要定义接收消息的结束方式，发送接收双方协商一致。

ASCII 驱动程序允许发送和接收任何结构的数据（所有可打印的 ASCII 码表字符符以及从 00 到 FFH [带有 8 个数据位字符帧] 的所有其它字符或从 00 到 7FH [带有 7 个数据位字符帧]的所有其它字符）。

ASCII协议适用于与支持串行通信的智能仪表、条形码阅读器、扫描仪、打印机等设备进行通讯。

2.MODBUS 协议

MODBUS RTU 通信协议是以主从的方式进行数据传输的，主动方发送请求，被动方响应请求，应答的方式。

在传输的过程中主站是主动方，即主站发送数据请求报文到从站；从站是被动方，即如果正常从站返回正常响应报文，如果故障从站返回异常响应报文，如图 3 所示。

图3 MODBUS 请求响应报文格式

MODBUS 系统中，数据交换需要通过功能代码（Function Code）来控制的，具体分以下两类。

有些功能码是对位操作的，通信的用户数据是以位为单位的：

• FC01读输出位的状态；
• FC02读输入位的状态；
• FC05写单个输出位；
• FC15写多个输出位。

有些功能码是对16位寄存器操作的，通信的用户数据是以字为单位的：

• FC03读输出寄存器；
• FC04读输入寄存器；
• FC06写单个输出寄存器；
• FC16写多个输出寄存器。

这些功能码是对四个数据区位输入、位输出、寄存器输入、寄存器输出进行访问的，如图 4 所示。

图4 访问的数据区

Modbus地址由起始的数据类型代号和地址偏移量组成。功能码决定对Modbus地址进行操作类型，其可根据需要传输的数据类型和个数来决定，如图 5 所示。

图5 MODBUS 地址对应关系

注意：在传输消息桢中，用户使用的地址是0为基准，而对应的Modbus地址是1为基准，如FC16功能码时以16进制的0000为起始地址，对应的寄存器是从40001开始。

MODBUS RTU 传输模式：消息桢中的每个8位分成2个4位16进制的字符。

每个字符帧格式（11位），如图 6 所示。

图6 字符帧格式

注意：如果无奇偶校验位，停止位是2位。

消息帧格式，如图 7 所示。

图7 消息帧格式