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  • 随着计算机应用日益普及,与计算机进行信息交互终端也越来越多,其中串行通信是终端与计算机之间主要通信方式。通常情况下,接收方必须知道发送方发送速率,帧结构,并采用相同速率及帧结构进行接收,才能...
  • 参看下图:串行通信的方式包括异步通信和同步通信。异步通信它用一个起始位表示字符的开始,用停止位表示字符的结束。其每帧的格式如下:在一帧格式中,先是一个起始位0,然后是8个数据位,规定低位在前,高位在后,...
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    串行口是单片机与外界进行信息交换的工具。

    ■ 8051单片机的通信方式有两种:

    并行通信:数据的各位同时发送或接收。

    串行通信:数据一位一位次序发送或接收。

    参看下图:

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    串行通信的方式包括异步通信和同步通信。

    异步通信

    它用一个起始位表示字符的开始,用停止位表示字符的结束。其每帧的格式如下:

    在一帧格式中,先是一个起始位0,然后是8个数据位,规定低位在前,高位在后,接下来是奇偶校验位(能省略),最后是停止位1。用这种格式表示字符,则字符能一个接一个地传送。

    在异步通信中,CPU与外设之间必须有两项规定,即字符格式和波特率。字符格式的规定是双方能够在对同一种0和1的串理解成同一种意义。原则上字符格式能由通信的双方自由制定,但从通用、方便的角度出发,一般还是使用一些标准为好,如采用ASCII标准。

    波特率即数据传送的速率,其定义是每秒钟传送的二进制数的位数。例如,数据传送的速率是120字符/s,而每个字符如上述规定包含10数位,则传送波特率为1200波特。

    同步通信

    在同步通信中,每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志,占用了时间;所以在数据块传递时,为了提高速度,常去掉这些标志,采用同步传送。由于数据块传递开始要用同步字符来指示,同时要求由时钟来实现发送端与接收端之间的同步,故硬件较复杂。

    通信方向

    在串行通信中,把通信接口只能发送或接收的单向传送办法叫单工传送;而把数据在甲乙两机之间的双向传递,称之为双工传送。在双工传送方式中又分为半双工传送和全双工传送。半双工传送是两机之间不能同时进行发送和接收,任一时该,只能发或者只能收信息。

    8051单片机的串行接口结构

    8051单片机串行接口是一个可编程的全双工串行通信接口。它可用作异步通信方式(UART),与串行传送信息的外部设备相连接,或用于通过标准异步通信协议进行全双工的8051多机系统也能通过同步方式,使用TTL或CMOS移位寄存器来扩充I/O口。

    8051单片机通过管脚RXD(P3.0,串行数据接收端)和管脚TXD(P3.1,串行数据发送端)与外界通信。SBUF是串行口缓冲寄存器,包括发送寄存器和接收寄存器。它们有相同名字和地址空间,但不会出现冲突,因为它们两个一个只能被CPU读出数据,一个只能被CPU写入数据。

    ▲串行口的控制与状态寄存器

    串行口控制寄存器SCON

    它用于定义串行口的工作方式及实施接收和发送控制。字节地址为98H,其各位定义如下表:

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    SM0、SM1:串行口工作方式选择位,其定义如下:

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    (注:其中fosc为晶体震荡器频率)

    SM2:多机通信控制位。在方式0时,SM2一定要等于0。在方式1中,当(SM2)=1则只有接收到有效停止位时,RI才置1。在方式2或方式3当(SM2)=1且接收到的第九位数据RB8=0时,RI才置1。

    REN:接收允许控制位。由软件置位以允许接收,又由软件清0来禁止接收。

    TB8: 是要发送数据的第9位。在方式2或方式3中,要发送的第9位数据,根据需要由软件置1或清0。例如,可约定作为奇偶校验位,或在多机通信中作为区别地址帧或数据帧的标志位。

    RB8:接收到的数据的第9位。在方式0中不使用RB8。在方式1中,若(SM2)=0,RB8为接收到的停止位。在方式2或方式3中,RB8为接收到的第9位数据。

    TI:发送中断标志。在方式0中,第8位发送结束时,由硬件置位。在其它方式的发送停止位前,由硬件置位。TI置位既表示一帧信息发送结束,同时也是申请中断,可根据需要,用软件查询的办法获得数据已发送完毕的信息,或用中断的方式来发送下一个数据。TI必须用软件清0。

    RI:接收中断标志位。在方式0,当接收完第8位数据后,由硬件置位。在其它方式中,在接收到停止位的中间时刻由硬件置位(例外情况见于SM2的说明)。RI置位表示一帧数据接收完毕,可用查询的办法获知或者用中断的办法获知。RI也必须用软件清0。

    ▲特殊功能寄存器PCON

    PCON是为了在CHMOS的80C51单片机上实现电源控制而附加的。其中最高位是SMOD。

    串行口的工作方式

    8051单片机的全双工串行口可编程为4种工作方式,现分述如下:

    方式0 移位寄存器输入/输出方式。

    可外接移位寄存器以扩展I/O口,也能外接同步输入/输出设备。8位串行数据者是从RXD输入或输出,TXD用来输出同步脉冲。

    输出 串行数据从RXD管脚输出,TXD管脚输出移位脉冲。CPU将数据写入发送寄存器时,立即启动发送,将8位数据以fos/12的固定波特率从RXD输出,低位在前,高位在后。发送完一帧数据后,发送中断标志TI由硬件置位。

    输入 当串行口以方式0接收时,先置位允许接收控制位REN。此时,RXD为串行数据输入端,TXD仍为同步脉冲移位输出端。当(RI)=0和(REN)=1同时满足时,开始接收。当接收到第8位数据时,将数据移入接收寄存器,并由硬件置位RI。

    下面两图分别是方式0扩展输出和输入的接线图。

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    方式1 波特率可变的10位异步通信接口方式

    发送或接收一帧信息,包括1个起始位0,8个数据位和1个停止位1。

    输出 当CPU执行一条指令将数据写入发送缓冲SBUF时,就启动发送。串行数据从TXD管脚输出,发送完一帧数据后,就由硬件置位TI。

    输入 在(REN)=1时,串行口采样RXD管脚,当采样到1至0的跳变时,确认是开始位0,就开始接收一帧数据。只有当(RI)=0且停止位为1或者(SM2)=0时,停止位才进入RB8,8位数据才能进入接收寄存器,并由硬件置位中断标志RI;不然信息丢失。所以在方式1接收时,应先用软件清零RI和SM2标志。

    方式2 固定波特率的11位UART方式。

    它比方式1增加了一位可程控为1或0的第9位数据。

    输出: 发送的串行数据由TXD端输出一帧信息为11位,附加的第9位来自SCON寄存器的TB8位,用软件置位或复位。它可作为多机通信中地址/数据信息的标志位,也能作为数据的奇偶校验位。当CPU执行一条数据写入SUBF的指令时,就启动发送器发送。发送一帧信息后,置位中断标志TI。

    输入: 在(REN)=1时,串行口采样RXD管脚,当采样到1至0的跳变时,确认是开始位0,就开始接收一帧数据。在接收到附加的第9位数据后,当(RI)=0或者(SM2)=0时,第9位数据才进入RB8,8位数据才能进入接收寄存器,并由硬件置位中断标志RI;不然信息丢失。且不置位RI。再过一位时间后,不管上述条件时否满足,接收电路即行复位,并重新检测RXD上从1到0的跳变。

    方式3 波特率可变的11位UART方式。

    除波特率外,其余与方式2相同。

    关于波特率选择

    如前所述,在串行通信中,收发双方的数据传送率(波特率)要有一定的约定。在8051串行口的四种工作方式中,方式0和2的波特率是固定的,而方式1和3的波特率是可变的,由定时器T1的溢出率控制。

    ▲ 方式0

    方式0的波特率固定为主振频率的1/12。

    ▲ 方式2

    方式2的波特率由PCON中的选择位SMOD来决定,可由下式表示:

    波特率=2的SMOD次方除以64再乘一个fosc,也就是当SMOD=1时,波特率为1/32fosc,当SMOD=0时,波特率为1/64fosc

    ▲ 方式1和方式3

    定时器T1作为波特率发生器,其公式如下:

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    式中T1计数率取决于它工作在定时器状态还是计数器状态。当工作于定时器状态时,T1计数率为fosc/12;当工作于计数器状态时,T1计数率为外部输入频率,此频率应小于fosc/24。产生溢出所需周期与定时器T1的工作方式、T1的预置值有关。

    定时器T1工作于方式0:溢出所需周期数=8192-x;

    定时器T1工作于方式1:溢出所需周期数=65536-x;

    定时器T1工作于方式2:溢出所需周期数=256-x。

    因为方式2为自动重装入初值的8位定时器/计数器模式,所以用它来做波特率发生器最恰当。

    当时钟频率选用11.0592MHZ时,取易获得标准的波特率,所以很多单片机系统选用这个看起来“怪”的晶体震荡器就是这个道理。

    下表列出了定时器T1工作于方式2常用波特率及初值。

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  • 串口通信中比较重要参数包括波特率、数据位、停止位及校验位,通讯双方需要约定一致数据格式才能正常收发数据。串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。在串口通信中,常用协议包括RS-232、RS-422和...

    一、串口通信简介

    串口通信,顾名思义也就是利用串行接口进行通信。串行接口指串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节(byte)传输的并行通信慢,但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。

    串口通信中比较重要的参数包括波特率、数据位、停止位及校验位,通讯双方需要约定一致的数据格式才能正常收发数据。串行通讯根据通信双方的分工和信号传输方向可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。在串口通信中,常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485。它们的主要区别在于其各自的电平范围不相同。

    二、串行通信的传输方向

    数据通信中,数据在线路上的传送方式(方向)可以分为:单工通信、半双工通信和全双工通信三种。

    1 单工(Simplex Communication )

    单工模式通信使用一根传输线,其数据传输是单向的,仅能沿一个方向,不能实现反向传输,即通信双方发送端和接收端的身份是固定的。通信双方中,一方固定为发送端,一方则固定为接收端。

    • 例子:早期的电视,广播,打印机

    2 半双工(Half Duplex Communication)

    半双工模式通信一般使用一根(或一对)传输线,数据可以沿两个方向传输,既可以发送数据又可以接收数据,但不能同时进行发送和接收,同一时刻只允许单方向传送。因此又被称为双向交替通信。数据传输允许数据在两个方向上传输,但是,在任何时刻只能由其中的一方发送数据,另一方接收数据。

    半双工模式收发两端都有发送器和接收器,通过收/发开关转接到通信线上。半双工通信中每端需有一个收发切换电子开关,若要改变传输方向,需由开关进行切换,通过切换来决定数据向哪个方向传输。由于要频繁切换信道方向,会产生时间延迟,故传输效率低些,但可以节约传输线路。半双工方式适用于终端与终端之间的会话式通信。

    • 例子:对讲机,RS485

    3 全双工(Full Duplex Transmission)

    全双工模式通信指数据由两根不同的数据线(可能还需要控制线、状态线、地线)传送,可以同时进行双向传输。即数据的发送和接收分流,通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。从功能角度方面讲,全双工通信相当于两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。因此,通信系统的每一端都设置了发送器和接收器,来控制数据同时在两个方向上传送。

    与半双工模式相比,全双工可同时进行数据收发,且无需进行方向的切换,没有切换操作所产生的时间延迟。 显然,在其它参数都一样的情况下,全双工比半双工传输速度要快,信息传输效率要高。这对那些不能有时间延误的交互式应用(例如远程监测和控制系统)十分有利。

    • 例子:手机通话,RS422,RS232

    三、串行通信的错误校验

    在通信过程中往往要对数据传送的正确与否进行校验。校验是保证准确无误传输数据的关键。常用的校验方法有奇偶校验、代码和校验及循环冗余码校验。

    (1)奇偶校验

    在发送数据时,数据位尾随的1位为奇偶校验位(1或0)。

    (2)常用算法校验

    代码和校验是发送方将所发数据块求和(或各字节异或),产生一个字节的校验字符(校验和)附加到数据块末尾。

    (3)循环冗余校验

    这种校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验,常用于对存储区的完整性、磁盘信息的传输校验等。

    1 奇偶校验

    奇偶校验指的是在发送数据时,利用数据中“1”的个数是奇数或偶数作为检测错误的标志。通常在数据位后面设置1位奇偶校验位(1或0),用它使这组代码中“1”的个数为奇数或偶数。奇校验时,数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为奇数;偶校验时,数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为偶数。接收学符时,接收端对数据位“1”的个数进行校验,若发现发送端结果与不一致,则说明传输数据过程中出现了错误。此时接收端可以向发送端发送请求,要求重新发送一遍数据。

    • 奇校验:此时奇偶校验位的作用就是保证所有数据位加奇偶校验位的所有比特位中值为1的比特位的个数为奇数。
      若数据位中共有奇数个值为1的比特位,则此时奇偶校验位的值为0。
      若数据位中共有偶数个值为1的比特位,则此时奇偶校验位的值为1。
    • 偶校验:此时奇偶校验位的作用就是保证所有数据位加奇偶校验位的所有比特位中值为1的比特位的个数为偶数。
      若数据位中一共有奇数个值为1的比特位,则此时奇偶校验位的值为1。
      若数据位中一共有偶数个值为1的比特位,则此时奇偶校验位的值为0。

    例子

    假设传输的数据位为01001100,如果是奇校验,则奇校验位为0(确保总共有奇数个1);如果是偶校验,则偶校验位为1(要确保总共有偶数个1)。

    优缺点

    奇偶校验的缺点很明显,首先,它对错误的检测概率大约只有50%。因为只有奇数个数据位发生变化能检测到,如果偶数个数据位发生变化则无能为力了。另外,每传输一个字节都要附加一位校验位,对传输效率有较大影响。因此,在高速数据通讯中很少采用奇偶校验。奇偶校验可以发现错误,但不能纠正错误,也就是说它只能告诉你出错了,但不能告诉你怎么出错了,一旦发现错误,只能重发。

    奇偶校验优点也很明显,它很简单,因此可以用硬件来实现,这样可以减少软件的负担。因此,奇偶校验也被广泛的应用着。

    2 常用算法校验

    常用算法校验是指发送端将所发数据块进行累加和校验异或校验,在数据块末尾附加一个字节的校验字符。接收端接收数据,同时对数据块(除校验字节外)进行不进位求和字节异或,将所得的结果与发送端的“校验和”进行比较,相符则无差错,否则即认为传送过程中出现了差错。

    例子-累加和校验
    累加和校验:
    要传输的数据为:01H、55H、D3H
    则进行不进位累加的校验和字节为:29H,即01H+55H=56H,56H+D3H=129H,舍去进位1,得29H。
    这里 29H 就是前三个字节的累加校验和。接收端收到全部数据后对前三个数据进行同样的累加计算,如果累加和与最后一个字节相同的话就认为传输的数据没有错误。

    异或就是对数据逐一异或计算(异或结果与下一个数据异或)。即接收端将所有字节(一般是两个16进制的字符)按位异或后,得到校验码后与发送端异或码的字符进行比较。相等即认为通信无错误,不相等则认为通信出错。

    优缺点

    累加和校验由于实现起来非常简单,也被广泛的采用。虽然其检错率优于奇偶校验,但这种校验方式的检错能力也较为一般,例如累加的其中一个字节多1,另一个字节少1,累加和不变,将原本是错误的通讯数据误判为正确数据。异或校验同理。累加和校验、异或校验也不能纠正错误。

    3 循环冗余校验

    这种校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验,常用于对磁盘信息的传输、存储区的完整性校验等。这种校验方法纠错能力强,广泛应用于同步通信中。

    循环冗余码校验(Cyclical Redundancy Check, CRC)是利用除法和余数的原理来做错误侦测的。实际应用时,发送装置计算出CRC值并随数据一同发送给接收端RX,RX对收到的数据重新计算CRC并与收到的CRC值相比较,若两个CRC值不同,则说明数据通信出现了错误,该数据包应该舍弃不用。
    在远距离数据通讯中,为确保高效而无差错的传送数据,必须对数据进行校验控制,而CRC是对一个传送数据块进行校验,是一种非常高效的差错控制方法。目前,主流的CRC可以分为以下几个标准:CRC-12码;CRC-16码;CRC-CCITT码;CRC-32码。
    CRC-12码通常用来传送6-bit字符串。CRC-16及CRC-CCITT码则用来传送8-bit字符,其中CRC-16为美国采用,而CRC-CCITT为欧洲国家所采用。CRC-32码用途有限。
    在数据存储和数据通信领域,CRC无处不在:著名的通信协议X.25的FCS(帧检错序列)采用的是CRC/CCITT,ARJ/LHA等压缩工具软件采用的是CRC32,磁盘驱动器读写采用的日式CRC16,通常用到的图像存储格式GIF/TIFF等也是采用CRC作为检错手段的。

    四、传输速率与传输距离

    数据传输速率指通信线上传输信息的速度,有比特率和波特率两种表示方法。比特率也称为信号速率,是指单位时间内所传送的二进制位代码的有效位数,以每秒多少比特计算,即bit/s;波特率是指调制速率,是脉冲信号经过调制后的传输速率,以波特(Baud)为单位,通常用于表示调制器之间传输信号的速率。

    1 传输速率

    比特率:每秒传输的二进制位数,也称为信号速率,单位为比特每秒(bit/s,bps)。

    波特率:每秒传输的码元符号的个数(码元传输速率),也称为调制速率,单位是波特(B)。它是对符号传输速率的一种度量,它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示,1波特即指每秒传输1个符号。通过不同的调制方法可以在一个符号上负载多个比特信息。

    比特率与波特的关系
    即比特率在数值上和波特率有这样的关系:

    I=Slog2NI=S*{log_2{N}}

    其中I为比特率,S为波特率,N为每个符号承载的信息量(一个脉冲信号所表示的有效状态),而log2N{log_2{N}}以比特为单位。即波特率与比特率的关系:比特率=波特率*单个调制状态对应的二进制位数。
    一个以X波特传送信号的线路,其传送二进制数据的速率不一定是X比特/秒,因为每个码元符号需要通过几个比特来表示,所以运送一个符号等于运送了几个比特。在二进制中脉冲(二电平)只有两种状态0或1,即 n=“2”,也就是说,信号速率与调制速率是一致的。如果使用多电平脉冲信号传输信息,信号速率与调制速率就不一致了。例如,若使用0、1、2、3、4、5、6、7共8个电平级,则需要,即3个比特来表示一个信号值,因而这种条件下比特率将是波特率的3倍。(当用二进制位表示一个码元时与比特率相等)

    例如假设数据传送速率为120符号/秒(symbol/s)(也就是波特率为120Baud),又假设每一个符号为八相调制(单个调制状态对应3个二进制位),则其传送的比特率为(120symbol/s) * (3bit/symbol)=360bps。只有在每个符号只代表一个比特信息的情况、或一些简单的调制方式下,例如基带二进制信号调制方式等,波特率与比特率才在数值上相等。 具体而言, 两相调制(单个调制状态对应1个二进制位)的比特率等于波特率;四相调制(单个调制状态对应2个二进制位)的比特率为波特率的两倍;八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)的比特率为波特率的三倍,依次类推。

    在串行通信中,单个调制状态对应的1个二进制位,因此比特率和波特率往往相同。可以用”波特率”来描述数据的传输速率,即每秒钟传送的二进制位数。它是衡量串行数据速度快慢的重要指标。典型的“波特率”是1200,4800,9600,14400,19200,28800,38400,57600,115200,230400,460800,921600等。有时也用”位周期”来表示传输速率,位周期是波特率的倒数。

    举例:RS485/RS232
    假设目前“波特率”为9600,指每秒传送9600个码元符号,则此RS485/RS232的传信率计算为 :

    I=Slog2N=9600log22I=S*{log_2{N}}=9600*log_2{2}=9600bit/s

    通信线上所传输的字符数据(代码)是逐位传送的,1个字符由若干位组成,每一位即是一个码元。因此每秒钟所传输的字符数(字符速率)和波特率是两种概念。常有人把RS232的N误以为是每个“符号”(symbol)所夹带的信息量,但实际上每个“位元”(bit)即为一个“符号”(symbol)。

    在串行通信中,所说的传输速率是指波特率,而不是指字符速率。
    如在异步串行通信中,传输速率是9600b,而每个字符格式包含10位(1个起始位、1个停止位、0个校验位、8个数据位),这时每秒钟传送的字符数:9600/(1+8+0+1)=960个。

    2 传输距离与传输速率的关系

    串行通信直接传送串行信息位流的最大距离与传输速率和传输线的电气特性有关。通信速率和通信距离这两个方面是相互制约的,降低通信速率,可以提高通信距离。

    串行通信中,数据位信号流在信号线上传输时,要引起畸变,畸变的大小与以下因素有关:

    波特率——信号线的特征(频带范围)
    传输距离——信号的性质及大小(电平高低,电流大小)
    当畸变较大时,接收方出现误码。
    在规定的误码率下,当波特率、信号线、信号的性质及大小一定时,串行通信的传输距离就一定。为了加大传输距离,必须加调制解调器。

    当传输线使用每0.3m(约1英尺)有50PF电容的非平衡屏蔽双绞线时,传输距离随传输速率的增加而减小。当比特率超过1000 bps时,最大传输距离迅速下降,如9600 bps时最大距离下降到只有76m(约250英尺)。

    串口通讯的距离

    经实测,液晶显示屏控制 系统的RS232串行口在通讯波特率为28800bit/s时能够稳定传输达300米以上(传输介质为1箱五类线);当通讯距离大于 300米时,选择RS485通讯接口的液晶显示屏控制系统,此时只须在计算机的RS232串口端加配一个RS232/485转换器即可。

    115200bps最好的距离在30-50米之间(和线、232芯片有关),再远就有误码啦。15米还是很容易超的。232谁也不敢用300米的。

    传输电缆长度

    由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下,传输电缆长度应为50英尺,其实这个 4%的码元畸变是很保守的,在实际应用中,约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的,所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。

    传输距离

    由设备可提供端口的不同,故数据传输距离也不同。普通的RS232是常见的设备端口,其连接距离只有15米左右,如果连线设备距离相当远,则无法在使用RS232。采用RS424的设备,它的连接距离可达1000米。但当多个设备都是远距离时,给每个设备拉一条线会相当不方便,于是RS485便成为首选。RS485接口支持多个设备同时挂在一根导线上,它的总连线距离也可达1000米,而且一路上所有的设备都可以连接其上,相当方便。但它有一个限制:必须是半双工通信方式,即在同一时刻只能有一个设备进行数据发送,而其他设备只能接收。要保证这个条件必须依靠软件。

    3、发送/接收时钟

    在串行传输过程中,二进制数据序列是以数字信号波形的形式出现的,如何对这些数字波形定时发送出去或接收进来,以及如何对发/收双方之间的数据传输进行同步控制的问题就引出了发送/接收时钟的应用。

    在发送数据时,发送器在发送时钟(下降沿)作用下将发送移位寄存器的数据按串行移位输出;在接收数据时,接收器在接收时钟(上升沿)作用下对来自通信线上串行数据,按位串行移入移位寄存器。可见,发送/接收时钟是对数字波形的每一位进行移位操作,因此,从这个意义上来讲,发送/接收时钟又可叫做移位始终脉冲。另外,从数据传输过程中,收方进行同步检测的角度来看,接收时钟成为收方保证正确接收数据的重要工具。为此,接收器采用比波特率更高频率的时钟来提高定位采样的分辨能力和抗干扰能力。
      
    发送/接收时钟频率与波特率的关系:发/收时钟频率 =n*(发/收波特率 )

    4、波特率因子

    在波特率指定后,输入移位寄存器 / 输出移位寄存器在接收时钟 / 发送时钟控制下,按指定的波特率速度进行移位。一般几个时钟脉冲移位一次。要求:接收时钟/ 发送时钟是波特率的 16 、 32 或 64 倍。波特率因子就是发送/接收 1 个数据( 1 个数据位)所需要的时钟脉冲个数,其单位是个/位。如波特率因子为 16 ,则16 个时钟脉冲移位 1 次。 例:波特率 =9600bps ,波特率因子 =32 ,则接收时钟和发送时钟频率 =9600 × 32=297200Hz 。

    参考:
    【1】https://baike.baidu.com/item/%E6%B3%A2%E7%89%B9%E7%8E%87/2153185?fr=aladdin#reference-[3]-119333-wrap
    【2】https://baike.baidu.com/item/%E7%A0%81%E5%85%83/10525003
    【3】http://mayer.spaces.eepw.com.cn/articles/article/item/59707

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  • 为实现分布式高压容性介损在线检测(包括电流互感器、套管、耦合电容器、电容式电压互感器等),介绍了基于RS-485总线方式建立分布式数据采集系统上下位机之间与RS-485多点总线式主从应答方式通信,说明了通信...
  • 串行通信的方式包括异步通信和同步通信。 异步通信 它用一个起始位表示字符的开始,用停止位表示字符的结束。其每帧的格式如下: 在一帧格式中,先是一个起始位0,然后是8个数据位,规定低位在前,高位在后,接下来...

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    串行口是单片机与外界进行信息交换的工具。
    ■ 8051单片机的通信方式有两种:
    并行通信:数据的各位同时发送或接收。
    串行通信:数据一位一位次序发送或接收。
    参看下图:
    在这里插入图片描述

    串行通信的方式包括异步通信和同步通信。
    异步通信
    它用一个起始位表示字符的开始,用停止位表示字符的结束。其每帧的格式如下:
    在一帧格式中,先是一个起始位0,然后是8个数据位,规定低位在前,高位在后,接下来是奇偶校验位(能省略),最后是停止位1。用这种格式表示字符,则字符能一个接一个地传送。
    在异步通信中,CPU与外设之间必须有两项规定,即字符格式和波特率。字符格式的规定是双方能够在对同一种0和1的串理解成同一种意义。原则上字符格式能由通信的双方自由制定,但从通用、方便的角度出发,一般还是使用一些标准为好,如采用ASCII标准。
    波特率即数据传送的速率,其定义是每秒钟传送的二进制数的位数。例如,数据传送的速率是120字符/s,而每个字符如上述规定包含10数位,则传送波特率为1200波特。
    同步通信
    在同步通信中,每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志,占用了时间;所以在数据块传递时,为了提高速度,常去掉这些标志,采用同步传送。由于数据块传递开始要用同步字符来指示,同时要求由时钟来实现发送端与接收端之间的同步,故硬件较复杂。
    通信方向
    在串行通信中,把通信接口只能发送或接收的单向传送办法叫单工传送;而把数据在甲乙两机之间的双向传递,称之为双工传送。在双工传送方式中又分为半双工传送和全双工传送。半双工传送是两机之间不能同时进行发送和接收,任一时该,只能发或者只能收信息。

    8051单片机的串行接口结构
    8051单片机串行接口是一个可编程的全双工串行通信接口。它可用作异步通信方式(UART),与串行传送信息的外部设备相连接,或用于通过标准异步通信协议进行全双工的8051多机系统也能通过同步方式,使用TTL或CMOS移位寄存器来扩充I/O口。
    8051单片机通过管脚RXD(P3.0,串行数据接收端)和管脚TXD(P3.1,串行数据发送端)与外界通信。SBUF是串行口缓冲寄存器,包括发送寄存器和接收寄存器。它们有相同名字和地址空间,但不会出现冲突,因为它们两个一个只能被CPU读出数据,一个只能被CPU写入数据。
    ▲串行口的控制与状态寄存器
    串行口控制寄存器SCON
    它用于定义串行口的工作方式及实施接收和发送控制。字节地址为98H,其各位定义如下表:
    在这里插入图片描述

    SM0、SM1:串行口工作方式选择位,其定义如下:

    在这里插入图片描述
    (注:其中fosc为晶体震荡器频率)
    SM2:多机通信控制位。在方式0时,SM2一定要等于0。在方式1中,当(SM2)=1则只有接收到有效停止位时,RI才置1。在方式2或方式3当(SM2)=1且接收到的第九位数据RB8=0时,RI才置1。
    REN:接收允许控制位。由软件置位以允许接收,又由软件清0来禁止接收。
    TB8: 是要发送数据的第9位。在方式2或方式3中,要发送的第9位数据,根据需要由软件置1或清0。例如,可约定作为奇偶校验位,或在多机通信中作为区别地址帧或数据帧的标志位。
    RB8:接收到的数据的第9位。在方式0中不使用RB8。在方式1中,若(SM2)=0,RB8为接收到的停止位。在方式2或方式3中,RB8为接收到的第9位数据。
    TI:发送中断标志。在方式0中,第8位发送结束时,由硬件置位。在其它方式的发送停止位前,由硬件置位。TI置位既表示一帧信息发送结束,同时也是申请中断,可根据需要,用软件查询的办法获得数据已发送完毕的信息,或用中断的方式来发送下一个数据。TI必须用软件清0。
    RI:接收中断标志位。在方式0,当接收完第8位数据后,由硬件置位。在其它方式中,在接收到停止位的中间时刻由硬件置位(例外情况见于SM2的说明)。RI置位表示一帧数据接收完毕,可用查询的办法获知或者用中断的办法获知。RI也必须用软件清0。
    ▲特殊功能寄存器PCON
    PCON是为了在CHMOS的80C51单片机上实现电源控制而附加的。其中最高位是SMOD。

    串行口的工作方式
    8051单片机的全双工串行口可编程为4种工作方式,现分述如下:
    方式0 移位寄存器输入/输出方式。
    可外接移位寄存器以扩展I/O口,也能外接同步输入/输出设备。8位串行数据者是从RXD输入或输出,TXD用来输出同步脉冲。
    输出 串行数据从RXD管脚输出,TXD管脚输出移位脉冲。CPU将数据写入发送寄存器时,立即启动发送,将8位数据以fos/12的固定波特率从RXD输出,低位在前,高位在后。发送完一帧数据后,发送中断标志TI由硬件置位。
    输入 当串行口以方式0接收时,先置位允许接收控制位REN。此时,RXD为串行数据输入端,TXD仍为同步脉冲移位输出端。当(RI)=0和(REN)=1同时满足时,开始接收。当接收到第8位数据时,将数据移入接收寄存器,并由硬件置位RI。
    下面两图分别是方式0扩展输出和输入的接线图。

    在这里插入图片描述
    <单片机串行口接线图>
    方式1 波特率可变的10位异步通信接口方式。
    发送或接收一帧信息,包括1个起始位0,8个数据位和1个停止位1。
    输出 当CPU执行一条指令将数据写入发送缓冲SBUF时,就启动发送。串行数据从TXD管脚输出,发送完一帧数据后,就由硬件置位TI。
    输入 在(REN)=1时,串行口采样RXD管脚,当采样到1至0的跳变时,确认是开始位0,就开始接收一帧数据。只有当(RI)=0且停止位为1或者(SM2)=0时,停止位才进入RB8,8位数据才能进入接收寄存器,并由硬件置位中断标志RI;不然信息丢失。所以在方式1接收时,应先用软件清零RI和SM2标志。
    方式2 固定波特率的11位UART方式。
    它比方式1增加了一位可程控为1或0的第9位数据。
    输出: 发送的串行数据由TXD端输出一帧信息为11位,附加的第9位来自SCON寄存器的TB8位,用软件置位或复位。它可作为多机通信中地址/数据信息的标志位,也能作为数据的奇偶校验位。当CPU执行一条数据写入SUBF的指令时,就启动发送器发送。发送一帧信息后,置位中断标志TI。
    输入: 在(REN)=1时,串行口采样RXD管脚,当采样到1至0的跳变时,确认是开始位0,就开始接收一帧数据。在接收到附加的第9位数据后,当(RI)=0或者(SM2)=0时,第9位数据才进入RB8,8位数据才能进入接收寄存器,并由硬件置位中断标志RI;不然信息丢失。且不置位RI。再过一位时间后,不管上述条件时否满足,接收电路即行复位,并重新检测RXD上从1到0的跳变。
    方式3 波特率可变的11位UART方式。
    除波特率外,其余与方式2相同。
    关于波特率选择
    如前所述,在串行通信中,收发双方的数据传送率(波特率)要有一定的约定。在8051串行口的四种工作方式中,方式0和2的波特率是固定的,而方式1和3的波特率是可变的,由定时器T1的溢出率控制。
    ▲ 方式0
    方式0的波特率固定为主振频率的1/12。
    ▲ 方式2
    方式2的波特率由PCON中的选择位SMOD来决定,可由下式表示:
    波特率=2的SMOD次方除以64再乘一个fosc,也就是当SMOD=1时,波特率为1/32fosc,当SMOD=0时,波特率为1/64fosc
    ▲ 方式1和方式3
    定时器T1作为波特率发生器,其公式如下:
    在这里插入图片描述

    式中T1计数率取决于它工作在定时器状态还是计数器状态。当工作于定时器状态时,T1计数率为fosc/12;当工作于计数器状态时,T1计数率为外部输入频率,此频率应小于fosc/24。产生溢出所需周期与定时器T1的工作方式、T1的预置值有关。
    定时器T1工作于方式0:溢出所需周期数=8192-x;
    定时器T1工作于方式1:溢出所需周期数=65536-x;
    定时器T1工作于方式2:溢出所需周期数=256-x。
    因为方式2为自动重装入初值的8位定时器/计数器模式,所以用它来做波特率发生器最恰当。
    当时钟频率选用11.0592MHZ时,取易获得标准的波特率,所以很多单片机系统选用这个看起来“怪”的晶体震荡器就是这个道理。
    下表列出了定时器T1工作于方式2常用波特率及初值。
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  • 一.现场通信总线分类1.1 串行通信 串行通信每帧数据(7位或8位)都包含一个低电平起始位,一个高... 串行通信一般包括RS232、RS485、RS422三种常用方式,三类通信总线方式的技术参数比较如下表: 表1 RS232、RS...

    一.现场通信总线分类

    1.1 串行通信

    串行通信中的每帧数据(7位或8位)都包含一个低电平的起始位,一个高电平的停止位和一个校验位,数据的传输波特率可从300bps~115200bps。设备间通信的前提是必须首先对通信串口设置相同的数据位,起始位,停止位,波特率和奇偶校验。

    串行通信一般包括RS232、RS485、RS422三种常用方式,三类通信总线方式的技术参数比较如下表:

    表1 RS232、RS422与RS485三种总线方式技术性能比较

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    1.2 以太网通信

    以太网是一种利用四线制传输的通信方式,每个以太网节点都有一个隔离脉冲变压器作为驱动和物理接口。技术性能如下:

    表2 以太网总线技术性能

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    二.工程现场应用与布线规范

    2.1 RS232 通信总线

    2.1.1 应用场合

    通信工作站与PC机之间的通信连接,如用CDT,DISA送后台;

    现场RS232通信接口设备与通信工作站连接,如管理机通GPS时钟;

    现场RS232通信接口设备与PC机之间的通信连接,如后台通GPS时钟;

    2.1.2 布线规范

    1、RS232通信线路的拓扑结构为1对1方式。

    2、在工程无特殊要求下,通信电缆采用8芯超五类屏蔽双绞线。

    3、通信电缆应铺设在专用电缆通道内,距离高电压(大于48V)、大电流(大于10A)电缆垂直距离大于1m,且不能与之平行。在不可避免的强干扰环境(距离高压、大电流设备和线路过近) 下,通信线路应在专用钢管内走线,且钢管可靠接地。

    4、布放的线缆应平直,不得产生扭绞、打圈等现象,不能受到外力挤压和损伤。

    5、布放线缆应有冗余。通信端口接线两端应预留0.3-06m。

    6、通信电缆长度不超过15米。

    7、通信线路TXD、RXD必须使用同一对双绞线的2芯,这里规定使用橙白、橙这一对双绞线,GND线规定使用棕色线。线芯剥取长度15cm左右,待通信测试完成后,确定能够正常通信后将多余的线芯减掉,然后反拉通讯线外皮,使多余的线芯必须包裹在外皮中。

    8、若是RS232通信接口是端子型,必须采用0.5mm2针形压接头(线鼻子)冷压后接入端子;若设备通信接口是标准DB9公(母)头接口,必须使用DB9母(公)头焊接通讯线并用塑料外壳封装好后安装接入。

    9、通信线缆两端必须贴有标签,标明起始和终端设备位置以及信息点等信息,标签必须使用记号笔书写,应清晰、端正和正确以便于查找维护。以公用测控柜中的GPS装置(RS232的通信线已引至屏柜TD1端子)与远动柜中的TDC9628通过RS232方式通信为例,标签填写方式为:公用测控柜TD1端子通信线标签填写为“至远动柜TD1端子”;远动柜TD1端子通信线标签填写为“至公用测控柜TD1端子”。

    11、若通信管理机单机置于后台,每根总线必须按照568B线序压接水晶头插入通信工作站端口中;若通信管理机为组屏且端口未扎线到端子,如果现场方便增加TD端子排,建议先扎线增加TD端子后,再接串口总线,如果现场不具备条件,则需要按照568B的线序压接水晶头后直接插入端口。

    12、若是总线要接到TD端子排,每个网线剥头处必须与所接入的TD端子平齐,端子接入后标签贴在其线芯上,若线芯长度有预留,需将整个线芯向后凹起。多根通信总线必须排置整齐后使用扎带可靠的固定在其接入端附近,不得吊挂,接入端子处不能直接受力,所有标签方向标识方向保持一致,水平总线排列整齐;

    13、通信线路的屏蔽层应该在通信主机端良好接地。

    2.1.3 通信接线

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    图1 RS232 通信接线方式

    2.2 RS485 通信

    2.2.1 应用场合

    现场RS485通信接口设备与通信工作站连接;

    2.2.2 布线规范

    1、RS485通信线路的拓扑结构为1主多从方式。通信设备为TDR920,TDR930系列保护测控装置时,则通信工作站的单路通信接口中最多可接入8个装置,为TDR940系列装置是,建议最多不超过10个装置;通信设备为电度表置等慢速通信设备,则通信工作站的单路通信接口中最多可接入32个装置,但是建议不超过16个。

    2、在工程无特殊要求下,通信电缆采用8芯超五类屏蔽双绞线。

    3、通信电缆应铺设在专用电缆通道内,距离高电压(大于48V)、大电流(大于10A)电缆垂直距离大于1m,且不能与之平行。在不可避免的强干扰环境(距离高压、大电流设备和线路过近) 下,通信线路应在专用钢管内走线,且钢管可靠接地。

    4、布放的线缆应平直,不得产生扭绞、打圈等现象,不能受到外力挤压和损伤。

    5、布放线缆应有冗余。通信端口接线两端应预留0.3-0.6m。

    6、通信电缆长度不超过1200米。

    7、通信线路485A、485B必须使用同一对双绞线的2芯,这里规定使用橙白、橙这一对双绞线。线芯剥取长度15cm左右,待通信测试完成后,确定能够正常通信后将多余的线芯减掉,然后反拉通讯线外皮,使多余的线芯必须包裹在外皮中。

    8、若RS485通信接口是端子型,必须采用0.5mm2针形压接头(线鼻子)冷压后接入端子;若设备通信接口是标准DB9公(母)头接口,必须使用DB9母(公)头焊接通讯线并用塑料外壳封装好后安装接入。

    9、通信线缆两端必须贴有标签,标明起始和终端设备位置以及信息点等信息,标签必须使用记号笔书写,应清晰、端正和正确以便于查找维护。以主变保护柜中的TDR935装置(RS485的通信线已引至屏柜TD端子)与远动柜中的TDC9628通过RS485方式通信为例,标签填写方式为:主变保护柜TD端子通信线标签填写为“至远动柜TD5端子”;远动柜TD5端子通信线标签填写为“至主变保护柜TD端子”。

    10、若通信管理机单机置于后台,每根总线必须按照568B线序压接水晶头插入通信工作站端口中;若通信管理机为组屏且端口未扎线到端子,如果现场方便增加TD端子排,建议先扎线增加TD端子后,再接串口总线,如果现场不具备条件,则需要按照568B的线序压接水晶头后直接插入端口。

    11、若是总线要接到TD端子排,每个网线剥头处必须与所接入的TD端子平齐,端子接入后标签贴在其线芯上,若线芯长度有预留,需将整个线芯向后凹起。多根通信总线必须排置整齐后使用扎带可靠的固定在其接入端附近,不得吊挂,接入端子处不能直接受力,所有标签方向标识方向保持一致,水平总线排列整齐;

    12、如果两线制通信不上或者乱码报文多,可考虑连接通信工作站和通信设备的通信电源的数字地。

    13、通信线路的屏蔽层应该在通信主机端良好接地。

    2.2.3 通信接线

    当通信设备的通信接口端子采用接线端子方式时,RS485网络拓扑宜采用串联总线型拓扑,即通信主机(主节点)位于总线的起始端,每套通信设备(从节点)根据安装位置依次串联。通信设备的连接如图2所示

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    图2 RS485通信接线方式1

    当通信设备的通信接口端子采用RJ45 等不能够串联线路的接口方式时,通信设备不能依次串联则只能采用星型总线方式。1 套或相邻的多套设备(如安装于同一面屏柜中的设备)连接各自的通信线至1个公共通信节点,多个公共节点之间仍采用依次串联的连接方式,图3所示。

    baa4bdf3f4d5c013db307fab6fe9e041.png

    2.2.4 终端匹配

    当RS485通信线路中误码率较高、或通信线路接近末端位置的通信设备不能正常通信时,可在通信线路的485A与485B之间应跨接120Ω匹配电阻,以减少线路中的反射、吸收噪声,有效地抑制噪声干扰。

    每路通信网络上只能有2个终端电阻且分别位于总线的两个最远端,中间不得再有任何匹配电阻如图2、3所示。

    2.3 RS422 通信

    2.3.1 应用场合

    现场RS422通信接口设备与通信工作站连接;

    2.3.2 布线规范

    1、RS422通信线路的拓扑结构为1主多从方式。通信设备为保护测控装置时,则通信工作站的单路通信接口中最多可接入8个装置;通信设备为慢速通信设备,则通信工作站的单路通信接口中最多可接入32个装置,但是建议不超过16个。

    2、在工程无特殊要求下,通信电缆采用8芯超五类屏蔽双绞线。

    3、通信电缆应铺设在专用电缆通道内,距离高电压(大于48V)、大电流(大于10A)电缆垂直距离大于1m,且不能与之平行。在不可避免的强干扰环境(距离高压、大电流设备和线路过近) 下,通信线路应在专用钢管内走线,且钢管可靠接地。

    4、布放的线缆应平直,不得产生扭绞、打圈等现象,不能受到外力挤压和损伤。

    5、布放线缆应有冗余。通信端口接线两端应预留0.3-0.6m。

    6、通信电缆长度不超过1200米。

    7、通信线路TXD+、TXD-必须使用同一对双绞线的2芯;RXD+、RXD-必须使用同一对双绞线的2芯。这里规定TXD+、TXD-使用橙白、橙这一对双绞线,RXD+、RXD-使用绿白、绿这一对双绞线。线芯剥取长度15cm左右,待通信测试完成后,确定能够正常通信后将多余的线芯减掉,然后反拉通讯线外皮,使多余的线芯必须包裹在外皮中。

    8、若RS422通信接口是端子型,必须采用0.5mm2针形压接头(线鼻子)冷压后接入端子;若设备通信接口是标准DB9公(母)头接口,必须使用DB9母(公)头焊接通讯线并用塑料外壳封装好后安装接入。

    9、通信线缆两端必须贴有标签,标明起始和终端设备位置以及信息点等信息,标签必须使用记号笔书写,应清晰、端正和正确以便于查找维护。以公用测控柜中的TDR961装置(RS422的通信线已引至屏柜TD1端子)与远动柜中的TDC9628通过RS422方式通信为例,标签填写方式为:公用测控柜TD1端子通信线标签填写为“至远动柜TD15端子”;远动柜TD15端子通信线标签填写为“至公用测控柜TD1端子”。

    10、若通信管理机单机置于后台,每根总线必须按照568B线序压接水晶头插入通信工作站端口中;若通信管理机为组屏且端口未扎线到端子,如果现场方便增加TD端子排,建议先扎线增加TD端子后,再接串口总线,如果现场不具备条件,则需要按照568B的线序压接水晶头后直接插入端口。

    11、若是总线要接到TD端子排,每个网线剥头处必须与所接入的TD端子平齐,端子接入后标签贴在其线芯上,若线芯长度有预留,需将整个线芯向后凹起。多根通信总线必须排置整齐后使用扎带可靠的固定在其接入端附近,不得吊挂,接入端子处不能直接受力,所有标签方向标识方向保持一致,水平总线排列整齐;

    12、通信线路的屏蔽层应该在通信主机端良好接地。

    2.3.3 通信接线

    当通信设备的通信接口端子采用接线端子方式时,RS422网络拓扑宜采用串联总线型拓扑,即通信主机(主节点)位于总线的起始端,每套通信设备(从节点)根据安装位置依次串联。通信设备的连接如图4所示。

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    当通信设备的通信接口端子采用RJ45等不能够串联线路的接口方式时,通信设备不能依次串联则只能采用星型总线方式。1套或相邻的多套设备(如安装于同一面屏柜中的设备)连接各自的通信线至1个公共通信节点,多个公共节点之间仍采用依次串联的连接方式,图5所示。此方式应用于装置通信接口不便串联的装置、如TDR920系列装置。

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    2.3.4 终端匹配

    当RS422通信线路中误码率较高、或通信线路接近末端位置的通信设备不能正常通信时,可在通信线路的RXD+与RXD-之间应跨接120Ω匹配电阻,以减少线路中的反射、吸收噪声,有效地抑制噪声干扰。

    多路通信网络上只能有2个终端电阻且分别位于总线的两个最远端,中间不得再有任何匹配电阻,如图4、5所示。

    2.4 以太网通信

    2.4.1 应用场合

    现场以太网通信接口设备与通信工作站连接;

    现场以太网通信接口设备与通信主机连接;

    2.4.2 布线规范

    1、在工程无特殊要求下,通信电缆采用8芯超五类屏蔽双绞线。

    2、通信电缆应铺设在专用电缆通道内,距离高电压(大于48V)、大电流(大于10A)电缆垂直距离大于1m,且不能与之平行。在不可避免的强干扰环境(距离高压、大电流设备和线路过近) 下,通信线路应在专用钢管内走线,且钢管可靠接地。

    3、布放的线缆应平直,不得产生扭绞、打圈等现象,不能受到外力挤压和损伤。

    4、布放线缆应有冗余。通信端口接线两端应预留0.3-0.6m。

    5、通信电缆长度不超过100米。

    6、通信线缆两端必须贴有标签,标明起始和终端设备位置以及信息点等信息,标签必须使用记号笔书写,应清晰、端正和正确以便于查找维护。以保护测控柜中的线路1(TDR931)装置与远动柜中的交换机通过网络方式通信为例,标签填写方式为:保护测控柜网络通信线标签填写为“至远动柜交换机”;远动柜交换机通信线标签填写为“至保护测控柜线路1(TDR931)”。

    7、根据装置以太网接口电路设计选择标准直通以太网线或标准交叉以太网线。

    以太网直通线定义:以太网通信线两端均采用568B线序接线方式。

    568B线序说明:

    橙白橙绿白蓝蓝白 绿棕白 棕

    568B线序 568B线序

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串行通信的校验方式包括