串口调试要注意什么？串口调试工具有哪些？

1. 何谓串口？

串口几乎为所有计算机的装置通讯协议标准。请别与通用串行总线 (Universal serial bus，USB) 产生混肴。大多数的计算机均配备 2 组 EIA-232 架构的串行端口。串口亦为常见的通讯协议，适用于控制多种仪器设备，并可搭配 EIA-232 通讯端口使用多款 GPIB 兼容的装置。此外，用户可透过数据撷取的串口通讯功能，进而整合远程取样装置。请注意，EIA-232 与 EIA-485/422 亦可为所谓的 RS-232 与 RS-485/422。

串口通讯的概念极为简单。串行端口将同时传送并接收 1 个位 (Bit) 的信息字节 (Byte)。虽然此传输量低于并行通讯作业，却可传输完整的字节；适用于较长距离的通讯作业。以 IEEE 488 规格的平行通讯作业为例，设备之间的接线总长度不得超过 20米（65英尺）；任两组装置之间的长度不超过 2米（6.5英尺）。而串口却可达最长 1200米（4000英尺）。
 

一般情况下，工程师均使用串行传输 ASCII 数据。并透过三种传输线完成通讯作业 - 接地线 (Ground)、传送线 (Transmit)与接收线 (Receive)。由于串口属于异步化，因此串行端口可于其中 1 个信道传送数据，并于另 1 个信道接收数据。其他通道可视情况而进行握手(Handshaking)。重要的串口特性为波特率 (Baud rate)、数据位、停止位 (Stop bit)，与奇偶同位 (Parity)。若要沟通两组通讯端口，则必须符合这些参数：

1、波特率 (Baud rate) 为通讯的速度量测作业，显示每秒所传输的位数。举例来说，300 波特率即为每秒达 300个位。工程师所称的频率周期 (Clock cycle) 即为波特率；若协议呼叫信号 (Protocol call) 为 4800 波特率，意即频率为 4800 Hz。亦表示串行端口以 4800 Hz 的速率，进行数据信道的取样。常见的电话线路波特率为 14400、28800，与 33600。波特率当然可以大于上述这些数字，但这些速率将限制设备之间的距离。因此高波特率均用于装置距离相近的通讯作业，常见的即为 GPIB 装置。

2、数据位数 (Data bit)，代表传输作业中的实际数据位。当计算机传送信息框架 (Frame) 时，实际数据总数可能不满 8 位。框架的标准数值为 5、7，与 8 位。应根据所传输的信息，选择所需的设定。举例来说，标准 ASCII 可为 0 ~ 127 的数值 (7 位)。延伸的 ASCII 则使用 0 ~ 255 (8 位)。若传输中的数据为标准 ASCII，则各个框架若能传送 7 位数据，即属高效率的通讯作业。1 个框架即为单一字节 (Byte) 的传输，包含开始/停止 (Start/stop) 位、数据位，与奇偶校验 (Parity)。由于所选的通讯协议将影响实际位数，因此可使用“框架 (Frame)”代表所有的范例。

停止位 (Stop bit) 可针对单一框架的通讯作业末端发出信号。常见数值为 1、1.5，与 2 位。由于数据将受到跨信道的频率所影响，而各组装置又具有自己的频率，因此任 2 组装置可能会稍稍落后同步化作业。因此，停止位不仅可指出传输作业末端，并可为计算机频率速度提供发生错误的空间。停止位所占的位数越多，则不同频率的同步化越具弹性；但亦将拖慢传输速度。

3、奇偶校验 (Parity) 为串口通讯作业错误检查的简易形式。奇偶校验具分为 4 种类型 – Even、Odd、Marked，与 Spaced。亦可不使用奇偶校验。针对 Even 与 Odd，串行端口将设定奇偶校验位 (Parity bit，为数据位之后的最后 1 个位) 为 1 个数值，以确认该传输作业具有逻辑高位 (Logic-high) 位的 Even 或 Odd 数。举例来说，若资料为 011，针对 Even 奇偶校验的奇偶校验位则为 0，才能让逻辑高位位的数字为 Even。在奇偶校验为 Odd 的情况下，奇偶校验位「1」将导致「3」的逻辑高位位。Marked 与 Spaced 的奇偶校验将不会实际检查数据位，但会根据 Marked 奇偶校验设定高的奇偶校验位，或根据 Spaced 奇偶校验设定低的奇偶校验位。此将让接收装置了解位的状态，以进一步判定噪声是否使数据发生中断，或传送与接收装置是否尚未同步化。

2. EIA-232 概述

EIA-232 为 IBM 兼容计算机架构的串口链接功能，可用以连接计算机与传感器/调制解调器，或用于仪器控制等许多功能。EIA-232 硬件可达最长 15 公尺的通讯距离。EIA-232 限用于计算机串行端口与装置之间的点对点连结。因此，计算机往往需要额外的 EIA-232 串行端口。标准计算机 EIA-232 串行端口与许多串行接口的制造商，将试图平衡 Win32 API 于串口通讯函数调用中的功能。Win32 API 原来是设计用于调制解调器通讯作业，且并未建置完整的 EIA-232 协议。基于此项限制，Win32 API 并无法沟通某些装置。

NI 则提供多款平台的 EIA-232 串行接口，包含 PCI、USB、PCMCIA、ExpressCard、PXI，与以太网络。根据所使用的平台，NI 串行接口卡提供 1、2、4、8，与 16 埠的版本。此外，NI EIA-232 串行接口卡更提升了某些功能，如最高 1 Mb/s 的高速波特率、透过 DMA 传输方式而降低 CPU 使用率、可选购的 2000 V 埠对埠隔离，与可设定的非标准波特率。所有的 NI 串行接口卡均包含 NI-Serial 驱动程序，可建置完整的 EIA-232 协议，并针对应用开发作业提供简单易用的高阶功能。NI-Serial 驱动程序可弥补 Win32 API 的缺点，亦即任何 EIA-232 架构的装置，均可搭配使用 NI 串口装置。

3. EIA-422 概述

EIA-422 为苹果公司麦金塔 (Mac) 计算机的串口链接接口。与 EIA-232 所使用的非平衡式信号 (Unbalanced signal) 相较，EIA-422 使用截然不同的电子信号。EIA-422 的差动传输 (Differential transmission)，就是透过 2 组线路以各自进行信号的传输与接收，因此其抗扰性与传输距离的表现均优于 EIA-232。在工业级应用中，抗扰性 (Noise immunity) 与传输距离可享有较佳的优势。

NI 则提供多款平台的 EIA-485/422 串行接口卡，包含 PCI、USB、PCMCIA、ExpressCard、PXI，与以太网络。根据所使用的平台，NI 串行接口卡具有 1、2、4，与 8 埠的版本。此外，NI EIA-485/422 串行接口卡更新增了多项功能，如最高 3 Mb/s 的高速波特率、透过 DMA 传输方式而降低 CPU 使用率、可选购的 2000 V 埠对埠隔离，与可设定的非标准波特率。所有的 NI 串行接口卡均包含 NI-Serial 驱动程序，可建置完整的 EIA-485/422 协议，并针对应用开发作业提供简单易用的高阶功能。

4. EIA-485 概述

EIA-485 为 EIA-422 的改良版本，从原本的 10 组装置提高至 32 组装置，并定义必要的电子特性参数，于最大负载保持适当的信号电压。透过增强的多端点 (Multidrop) 功能，即可透过单一 EIA-485 串行端口进行装置的网络链接作业。EIA-485 的抗扰性与多端点功能，使其成为工业级应用的串口连结首选，适于将多款分布式装置连接至计算机或其他控制器，以进行于数据搜集、HMI，与其他作业。EIA-485 集 EIA-422 的优点于一身，因此所有的 EIA-422 装置亦可由 EIA-485 进行控制。透过 EIA-485 硬件，串口通讯作业可达最长 1200米（4000英尺）的连接线总长度。

NI 则提供多款平台的 EIA-485/422 串行接口卡，包含 PCI、USB、PCMCIA、ExpressCard、PXI，与以太网络。根据所使用的平台，NI 串行接口卡具有 1、2、4，与 8 埠的版本。此外，NI EIA-485/422 串行接口卡更新增了多项功能，如最高 3 Mb/s 的高速波特率、透过 DMA 传输方式而降低 CPU 使用率、可选购的 2000 V 埠对埠隔离，与可设定的非标准波特率。所有的 NI 串行接口卡均包含 NI-Serial 驱动程序，可建置完整的 EIA-485/422 协议，并针对应用开发作业提供简单易用的高阶功能。

5. NI 串行接口卡接头的输出针脚 (Pinout)

DB-9 Male

DB-25 Male

10-Position Modular Jack

Pin

EIA-232

EIA-485/422

Pin

EIA-232

EIA-485/422

Pin

EIA-232

EIA-485/422

1

DCD

GND

2

TXD

RTS+ (HSO+)

1

No Connect

No Connect

2

RXD

CTS+ (HSI+)

3

RXD

CTS+ (HSI+)

2

RI

TXD-

3

TXD

RTS+ (HSO+)

4

RTS

RTS- (HSO-)

3

CTS

TXD+

4

DTR

RXD+

5

CTS

TXD+

4

RTS

RTS- (HSO-)

5

GND

RXD-

6

DSR

CTS- (HSI-)

5

DSR

CTS- (HSI-)

6

DSR

CTS- (HSI-)

7

GND

RXD-

6

GND

RXD-

7

RTS

RTS- (HSO-)

8

DCD

GND

7

DTR

RXD+

8

CTS

TXD+

20

DTR

RXD+

8

TXD

RTS+ (HSO+)

9

RI

TXD-

22

RI

TXD-

9

RXD

CTS+ (HSI+)

-

-

-

-

-

-

10

DCD

GND

6. 何谓握手 (Handshaking)？

此 EIA-232 通讯作业，可进行 3 种线路的简易链接作业 - Tx、Rx，与接地。然而，针对所要传输的数据，其2端均需以相同波特率进行数据的频率化 (Clocking)。虽然此方式适用于大多数的应用，此功能却受限于系统对问题的反应速度，如发生过载 (Overloaded) 的接收器。而串口握手 (Handshaking) 可协助解决相关问题。3 种最常见的 EIA-232 握手形式，即为软件握手、硬件握手，与 Xmodem。

软件握手
此方式是将数据字节作为控制字符 (Control character)，近似于 GPIB 使用命令字符串 (Command string) 的方式。由于控制字符可透过传输线路，如正常数据般进行传输，因此亦可整合 Tx、Rx，与接地而成简易的 3 线式集合。透过 SetXMode 函式，即可启用或停用 2 个控制字符：XON 与 XOFF。数据接收器将传送这些字符，以于通讯期间暂停传送器。

此方式的最大缺点，也是最重要的概念：数据值将不再使用 Decimal 17 与 19。由于这些数值为无字符 (Noncharacter) 数值，因此往往不会影响 ASCII 的传输作业；然而，若以二进制法传输数据，则极可能将这些数值作为数据进行传输，导致传输作业发生错误。

硬件握手
此方式将使用实际的硬件线路。如同 Tx 与 Rx 线路一般，RTS/CTS 与 DTR/DSR 线路可搭配使用。若其中 1 个线路为输出，则另 1 个线路即为输入。

第一种线路集为 RTS (Request to Send) 与 CTS (Clear to Send)。当接收器可接收资料时，则将插入 (Assert) RTS 线路，表示接收器已可接收资料。接着将由 CTS 输入线路的传送器读取此讯息，表示已可传送数据。

第二种线路集为 DTR (Data Terminal Ready) 与 DSR (Data Set Ready)。由于此种线路可让串行端口与调制解调器之间通讯现有状态，因此主要用于调制解调器的通讯作业。举例来说，当调制解调器可为计算机传送数据时，将先中断 DTR 线路，代表目前是透过电话线进行链接作业。接着 DSR 线路将读取该讯息，计算机则开始传送数据。在一般情况下，DTR/DSR 线路是用以表示系统可进行通讯作业，而 RTS/CTS 线路则用于独立的数据框架。

在 LabWindows/CVI 中，SetCTSMode 函式将启用或停用硬件握手。若已启用 CTS 模式，则 LabWindows/CVI 将依循下列规则：

计算机传送数据时：
EIA-232 函式库必须于传送数据之前，侦测该 CTS 线路为高 (High) 状态。

计算机接收数据时：
若通讯端口为开启状态，且输入队列具有容纳数据的空间，则函式库将引发 (Raise) RTS 与 DTR。
若通讯端口输入队列已达 90%，则函式库将降低 RTS 并提升 DTR。
若通讯端口输入队列近乎空白，则函式库将引发 RTS 并保持 DTR 为高状态。
若通讯端口为关闭，则函式库将降低 RTS 与 DTR。

XModem 握手
虽然此种协议已普遍用于调制解调器通讯作业，若其他装置均可使用此种协议，仍可直接于装置之间使用 XModem 协议。在 LabWindows/CVI 中，使用者可选择是否隐藏实际的 XModem 建置。只要计算机透过 XModem 协议连接其他装置，即可使用 LabWindows/CVI 的 XModem 函式，以传送档案至其他地址 (Site)。该函式为 XModemConfig、XModemSend，与 XModemReceive。

根据下列参数使用协议：start_of_data、end_of_trans、neg_ack、ack、wait_delay、start_delay、max_tries，与 packet_size。传输数据的 2 边必须同时认可这些参数，而 XModem 则提供相关标准定义。然而，使用者可透过 LabWindows/CVI 中的 XModemConfig 函式修改这些参数，以符合任何需求。在接收器 (Receiver) 传送 neg_ack 字符之后，即可于 XModem 中使用这些参数。此字符将告诉传送器 (Sender) 已准备好接收资料。于每次传输尝试之间，接收器均将使用 start_delay 时间，直到满足 max_tries 或接收到传送器的 start_of_data。若满足 max_tries，则接收器将提醒使用者目前无法沟通传送器。若的确接收到传送器的 start_of_data，则接收器将读取后续的信息封包。此封包具有封包号码、可检查错误的封包补充码、packet_size 字节的实际数据封包，与用于更多错误检查的数据总和检查码 (Checksum)。在读取数据之后，接收器将呼叫 wait_delay，并于稍后传送认可字符 (Ack) 回传送器。若传送器未接受到 ack，则将重新传送 max_tries 数据封包，直到接收 ack 为止。若传送器一直未接收 ack，则将通知使用者传送档案失败。

由于传送器必须以 packet_size 字节的封包传送数据，因此若没有足够数据填满最后的封包，则传送器将使用 ASCII NULL (0) 字节填满数据封包。如此将使接收档案大于源文件。由于 XModem 传输作业的封包号码，极可能增加 XON/OFF 控制字符而造成通讯中断，因此 XModem 协议并不适合搭配使用 XON/XOFF。