串口modemCTSRTSdoc.docx

1、串口modemCTSRTSdoc串口 modem CTS RTSMODE是用户接入互联网的重要设备。虽然网络干线上已经普及宽带光纤传输，但是在拥有庞大用户群的最后一公里路段上，目前最现实的接入方式还 是铜线连接（电话线，双绞线、电缆）。另外，随着无线技术的发展，采用无线 接入的固定/移动用户也越来越多。不论是铜线连接还是无线接入，都要采用调 制解调器，以便使数据信号能够在信道内传输。MODE啲对外接口是串口，这个串行I/O 口用于传输控制信号、状态信号、 数据、AT指令及其响应。虽然 MODE种类繁多（56K猫/GPRS/CDM等），但对外 都表现为一个标准的串口，只要将这个串口了解清楚，那么

2、就可以将所有的 MODE一网打尽。*(1)UART*一般地，我们把这个串口叫作 UART（U ni versal Asy nchro nous Receiver and Transmitter 通用异步收发器）。其中，RT是接收和发送的英文缩写，能收能发又是串口，说白了就是串行 I/O 口的意思。A表示异步模式。这种模式的优点是适应性强，对时钟精度要求低 （成本低）。每次发送字节数据前都首先发送一个开始位同步时钟相位，抖动误差不会 在整个通信过程中累积，只影响单个字节的传输单元。U的意思是通用。为什么一定要冠以通用二字，这个定语到底想强调什 么呢？话说很早以前，还没有出现计算机的时候，就已经出

3、现了串口设备。例如： MODEM电传打字机、工控设备、数传机等等。为了方便设备互连， EIA制定了RS232标准化规范，采用 DB25接 口连接 DTE（Data Terminal Equipment 数据终 端设备）和DCE（Data Communications Equipment数据通信设备）。后来，出现 了个人计算机（PC机），这些已有的设备毫无疑问地成了最初的外设，为了将其 接入主机，制造商们自然地选择了标准的 RS232串口。在这个标准中，DB25接口支持同步和异步两种工作模式，采用 D型接插件，防止插反。这种设计兼容 性好，使用方便，但是制造商们并不买帐，他们更倾向于进一步减少接

4、插件的 大小和成本。通过删除DB25中未使用的引脚和支持同步模式的引脚，将 DB25改造成只有9根线，只支持异步模式，体积更小，成本更低的 DB9最初的状况比较混乱，因为 DB9只给出了信号范围，但没有指出引脚和信号的对应关系， 而且DB9也不是RS232规范所定义的接口标准，因此各个制造商只能自行定义 对应关系。后来，IBM制造的PC机成了行业标准，DB9的对应关系就逐渐统一 到了 IBM的定义上，现如今使用的DB9就是遵守的IBM的定义。随着时代的发 展，计算机越来越普及，外设的种类也越来越多，有些非 RS232的串行设备需要接入主机，这就要求主机提供更多的I/O 口。如果为每一种新出现的

5、设备都 提供一个I/O ,显然是不现实的，因为主机后面板位置有限，不可能容纳太多 的接口。幸运的是，外部I/O 口大体上主要分为两类：并口和串口。如果复用 已有的RS232串口接入非RS232的设备，那么就可以用有限的接口，接入大量 的设备。一个有趣的现象是，早期的操作系统 DOS ROM BIOS1供的通信例程 只支持RS232串口标准，即使是实现简单的字节收发这种非 RS232应用，竟然也要先检测DSR DCD CTS等信号是否有效，如果不满足条件，将不会发送数 据到TXD上。解决这个问题的方法有两种：1、旁路系统提供的API函数，自己 直接操纵硬件实现非RS232的操作；2、短接接头里某

6、些RS232空制信号线，使 系统通信例程误以为是 RS232设备，使非RS232的设备满足RS232规范的子集 要求。现在，PC机上的串口既支持RS232应用又支持非RS232应用，通用串口指 的就是这个意思。RS232规范对速度和距离都有约束，在码元畸变小于 4%勺条件下，传输距离上限是15米；速率上限是19200。目前，在PC机上的串口都 突破了 RS232标准的限制，速度可以达到115200甚至更高。软件上，已经可以 选项配置是否支持硬件流控，是否检查 DSR DCD RI等输入信号。可以说，现 在的PC串口，来源于RS232但又不拘泥于它的限制，越来越向通用目的的串 口方向发展。UAR

7、创此可以总结为：用于通用目的的异步串行 I/O 口。综上，可以看出计算机串口发展的大致历程:（个人计算机）史前出现原始的串口设备-EIA制定RS232统一标准，DB25 出现-个人计算机诞生，为引入串口， DB9出现，软硬件仍然遵循 RS232标准- -为引入新的非RS232串口，将原来的RS232口改造成通用目的的UART软硬 件可以不遵循RS232规范。PC机串口拥有多个名字：串口、 RS232口、COM口（通信口）、异步口、UART等，他们是不同历史时期的产物，一直沿用至今，让现在的人们感觉有些 莫名其妙。最开始PC机接入的串行外设是RS232设备，就叫RS232口。这个设 备主要是通信

8、用的MODEMPC上就称为COM口。现在连非RS232设备也接了进 来，就叫UART。不过新名字没有老名字有名，有些人的习惯改不过来，再说 计算机发展太快，老名字还没消失，新名字就出现了，而且各有各的拥趸，约 定俗成，那就这么乱着叫吧。就在UART准备一统江湖的时候，制造商们再一次不满于它的速度、灵活性（软件可配置）和体积，推出了 USB串口和1394串口。现在越来越多的笔记本电 脑上已经取消了 UART串口，因此有不少网友发出没有串口，吾谁与归的慨叹, 历史前进的脚步无法阻挡，古今多少事，都付笑谈中， USE取代UART是后话，暂且不表。DB9引脚定义和表示DB9遵循IBM定义，所有输入输出

9、方向都是站在 DTE角度说的。1-载波检测DCD 2-接收数据RXD 3-发送数据TXD 4-数据终端就绪DTR 5-信号地GND 6-数据设备就绪DSR 7-请求发送RTS 8-清除发送CTS 9-振 铃指示RI在TXD和RXD上:（一般，驱动器件都是反相器，用负表示1，用正表示 0，采用负逻辑，完全可以理解。）逻辑 O（SPACE空号）=+3V+15V逻辑 1（MARK传号）=-3V-15V在RTS CTS DSR DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON犬态，正电压，高电平）=+3V+15V信号无效（断开，OFF犬态，负电压，低电平）=-3V-15V-3V到+3V之间的电平无意义，

10、称为死区，不应该处于这个电压范围。 +3V以上，-3V以下的一段区间属于过渡区，尽量不要使电平落入此区间，以便使 判断更可靠，最好在+12V以上，-12V以下。一般的驱动器件为+-12V电压。工 程上，电压不可能如此理想，判断需要在一定范围内进行，有些半导体器件也 不容易升压到+-15V，同时，大摆幅电路速度也高不了。以上说的是RS232电平，在未经驱动的芯片引脚上是 TTL电平：信号有效二进制0=0-0.3V信号无效二进制仁3.3V/5V如果不经RS232驱动芯片，直接把MCI和Moden模块（TTL电平）连接，需 要注意电平兼容。DB9引脚信号详细说明注意：硬件只提供机制而不提供策略， R

11、S232的规范由软件实现，硬件只是提供标准的硬件信号线。例如：载波检测由软件完成，硬件只提供 DCD引脚信号。硬件流控并不是说将 RTS和 CTS接到相应引脚位置上，硬件就可以自动 实现流量控制，硬件流控是靠软件实现的，之所以强调 硬件二字，只是因为 硬件为软件提供了指示信号的硬件通路，而软件流控没有使用硬件指示信号罢 了。RS232规定的是DTE和DCE设备间连接，而现在大多数设备已经内嵌了 CPU 可以主动发送数据，因此成了 DTE设备，DTE和DTE的连接RS232里没有规定， 需要使用交叉线。有兴趣的读者可以尝试着分别剪断 9根线，看看会有什么现象发生。看看 拨号软件将弹出什么样的错误

12、信息。TXD（Transmitted Data 发送数据）,RXD（Received Data 接收数据）-数据传 输物理通道，DTE和DCE设备此引脚一一对应连接即可，两个 DTE设备需要交 叉连接。所谓收发全是站在 DTE角度说的。可以在这两个引脚对应的芯片引脚 上连接LED指示灯，在数据收发时会有闪烁指示。这两个信号连接芯片内部的 并/串和串/并电路，先处理低位，硬件上不受其他硬件控制信号的影响。GND（Ground地）-地参考点。RS232是非平衡接法，不是差分的，所以抗噪 性能不好，收发信号需要高电压+15V/-15V，摆幅大，速率低。此地使两端电位 参考点一致，避免了地回路。DCD

13、（Data Carrier Detect 数据载波检测）-当话音通路建立后，两端Modem各自发送单频载波，以便各自的对端实时检测链路通断。只要检测到载 波信号，DCD就有效。此信号无效时用于触发 no carrier事件，提供向上层传 递lower down消息的机制，使PPP复位，并根据策略决定是否断线重拨。在 PPP收发数据时应实时监测DCD言号，只有当DCDt效时才能进行收发操作。DTR（Data Terminal Ready 数据终端准备好）,DSR（Data Set Ready 数据设备准备好）-虽然通过RXD和TXD就可以收发数据，但是在发送数据前还是应该 先确定对方是否准备好，

14、以避免不必要的数据丢失。 DTR和DSFgl脚用于主硬件流控。DTRt效表示DTE设备可以接收数据，DSR有效表示DCE设备可以接收 数据。DTE向DCE发送数据前要检测DSR信号，如果无效将不会发送，同样， DCE向 DTE发送数据前也要先检测 DTR是否有效。这是RS232规范的要求。MODE并没有使用DTR和DSF实现通常意义上的硬件流控。DTR在整个通信 期间保持有效，DSF在 MODE上电后立即有效/在发出载波后有效（这取决于程 序对DSR的理解，是把它简单地看成电源开关指示还是看成拨号后的指示 ）并在整个通信过程中一直保持有效。DTF或 DSF在任何时间点无效，都将终止通信 过程。

15、有人可能奇怪RS232标准里明明使用这两个信号用于主硬件流控，为什 么MODE却这样安排时序呢？原来MODE根本就没有按照RS232的规范将DTR和 DSR用于硬件流控，它只使用这两个信号指示 DTE和DCE已经上电，可以开始工作。当然这在某种意义上也算是流控，但它确实不是 RS232所指的那种，MODE是通过RTS和CTS实现的硬件流控。DTR和DSR的这种使用方法最初是由贺氏 Hayes公司在Smart Modem里最 先采用的，后来贺氏Hayes MODEI成为行业事实上的标准，其他公司参照贺氏 设计的时序生产与其兼容的 MODE，甚至连AT指令都一样（大家一起抄他呗）。 因此，现在的M

16、ODE都不遵守RS232在这两个引脚上定义的用法了。Data Terminal和Data Set是两个过时的名字，这两个术语已经被废弃了 （谁还记得数据终端和数传机啊，早就成古董了，兴许在博物馆还能见到实物 ）RS232-D版本中起用DTE ready和DCE ready两个新名字。虽然新名字表达的 意思清楚多了，但可以肯定的说，旧名字仍将继续使用。RTS（Request To Send 请求发送）,CTS（Clear To Send 清除发送）-半双工 时，用于收发模式切换。属于辅助流控信号。半双工的意思是说，发的时候不 收，收的时候不发。那么怎么区分收发呢 ？缺省时是DCE向 DTE发送数

17、据，当 DTE决定向DCE发数据时，先有效 RTS表示DTE希望向DCE发送，一般DCE不 能马上转换收发状态，DTE就通过监测CTS是否有效来判断可否发送，这样避 免了 DTE在 DCE未准备好时发送所导致的数据丢失。全双工时，这两个信号一直有效即可。（RTS/CTS协议即请求发送/允许发送协议，相当于一种握手协议，主要用来 解决隐藏终端问题。隐藏终端（Hidden Stations） 是指，基站A向基站B发 送信息，基站C未侦测到A也向B发送，故A和C同时将信号发送至B,弓I起 信号冲突，最终导致发送至B的信号都丢失了。隐藏终端多发生在大型单元 中（一般在室外环境），这将带来效率损失，并且

18、需要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时，尤其需要杜绝隐藏终端现象的发生。IEEE 802.11提供了 如下解决方案。在参数配置中，若使用 RTS/CTS协议，同时设置传送上限字节 数-一旦待传送的数据大于此上限值时，即启动 RTS/CTSB手协议：首先，A向B发送RTS信号，表明A要向B发送若干数据，B收到RTS后，向所有基站 发出CTS信号，表明已准备就绪，A可以发送，其余基站暂时按兵不动，然 后，A向B发送数据，最后，B接收完数据后，即向所有基站广播 ACK确认帧， 这样，所有基站又重新可以平等侦听、竞争信道了。)以上所述是RS232标准的定义，然而在 MODE中，完全没有遵守这个规范,

19、 而是将其用于硬件流控。很多人根据 RTS和CTS的字面意思理解他们的用法往 往百思不得其解，再加上半双工/全双工，就更加云里雾里了。 RTS和CTS在 MODE中的用法与他们字面的含义没有任何关系，他们已经由贺氏公司重新定 义了用法。以下是网友den gm给出的程序，详细说明了 RTS和CTS在 MODE里 的用法。RTS用于指示本端是否可以接收数据，CTS指示对端是否可以接收数据。 den gm 发表于 2005-1-14 07 : 52 侃单片机PC端处理：本端发送当发现(不一定及时发现)CTS(-3V to-15V)无效时，停止发送,当发现(不一定及时发现)CTS(3V to 15V)

20、有效时，恢复发送；本端接收0 MN LEN_OF_RX_BUFFE不要在处于边界时才给出指示，否则对端很有可 能来不及停发而造成本端接受缓冲区溢出。)当接收buffers 中的bytes M时，给RTS有效信号(+3v to+15v).当接收buffers 中的bytes N时，给RTS无效信号(-3v to-15v)MODE端处理:同上，但RTS与CTS交换图1表示DTE向DCE发送数据时的流控过程。DTE和DCL般都会有一定 容量的FIFO(先入先出)缓冲区，例如16字节。DTE以设定的波特率(如115200) 向DCE发送数据，当DCE的 FIFO缓冲区快满时，DCE使 CTS无效，DT

21、E软件检 测到此信号后停止发送。同时 DCE继续向电话线上发送数据，一旦发出， DCE的FIFO就变成不满，CTS恢复有效，允许DTE继续写入。串口波特率只是接口 速率，不是Mode*!勺实际传输速率，一般发送都快于接收，为避免溢出丢失数 据，均需要接收端控制发送端发送速度，即流控。DCE向 DTE发送数据用RTS进行流控，过程与上面讲的类似。流控在通信里的作用非常重要，它能使发送和接收保持均衡，避免数据因 为收发速率不匹配而丢失。例如：在 TCP协议里，当数据丢失时，总是假定丢 包是由于网络拥塞引起的，此时采用拥塞避免算法，超时时间加倍，拥塞窗减 半，尽管此时信道正常，有数据可以发，但因为拥

22、塞窗减小导致不能发送，而 且超时等待时间加倍，TCP的性能将急剧下降，测试报告不会好看。信道上因 为误码引起的丢包和网络上因为拥塞造成的丢包都是不可控的，而收发速率不 匹配造成的数据丢失完全可以通过流控避免，因此，在接收速率小于 /等于发送速率的地方都要使用流控。硬件流控不能跨越设备，软件流控可以实现端到端 控制。注意：MODE是否配置硬件流控可以通过AT指令动态修改。在不支持硬件 流控时，这两个信号在数据传输状态一直有效。此时可以无流控，或者通过 ON(0x11)/XOFF(0x13)软件流控。RI(Ringlndicator 振铃指示)-这个引脚用于指示是否有90V铃流信号输入。如果检测到

23、振铃信号，MODE将周期改变RI引脚电平，变化频率与振铃频 率无关，DTE设备检测RI上的电平变化，并计数，一旦符合规定次数，就发出 DTR信号，指示DCE摘机应答。以前的笨猫没有CPU所以需要DTE帮助判断 是否有拨入，现在的聪明猫(Hayes Smartmodem)有CPU完全可以自动应答， 我看，这个信号以后就可以省掉了，毕竟 RS232是很早以前的标准，已经过时 了，不必拘泥于原来的规范。DTE DCE AB HJD04大型程控电话交换机-电话线-ST-BUS-ST-BUS-E1|FIFO缓冲HFIFO 缓冲ITSLIC 板|-|DSN 交换网络|-|DTP 数字中 继|-经汇接局到另

24、一端局的相应电路 （ 左图逆序）RTS-CTSA|A川公共资源-铃流源|信号音（拨号/回铃/忙/催挂音）V DTMF双音多频收号器图1硬件流控图（DTE向DCE发送数据）如图1，MODE的另一端连接电话线，通过 AB线与对端（局端）程控电话交 换机SLIC板（用户线接口电路）相连，需要实现用户线信令（摘机、挂机、振铃、 拨号音、忙/催挂/回铃音等），还有用于判断链路通断的载波检测。以上讨论的DB9串口是很早以前设计的，随着技术的发展， MODE越来越 聪明，软件完全可以取代一些硬件控制连线，甚至重新设计 MODE串口。如果 今后遇见不符合现在定义的 MODE接口是不足为奇的。（4）串口交叉连接

25、方式和MODE工作时序交叉连接用于两个DTE设备互连图略(1)最简连接用于调试目的等非RS232应用，通信软件不能检测 DSR DCD CTS信号(本端)-(对端)：(2)-(3)(3)-(2)(5)-(5)1-4-6-7-8-9 悬空(2)RS232 连接用于屏蔽RS232通信软件的检测，早期BIOS和OS通信软件只能在符合RS232规则的接口线上运行，此种接法可使其只用 3根线即可正常工作。短接本端1-4-6 ;短接本端7-8(本端)-(对端)：(2)-(3)(3)-(2)(5)-(5)9悬空(3)完全连接忽略DCD和RI，带硬件流控的交叉连接(本端)-(对端)：(2)-(3)(3)-(2

26、)(5)-(5)(7)-(8)(8)-=(6)-(6)1和9悬空(4)NULL MODEI连接用于模拟两个DTE之间通过MODE连接。在PPP开发时，可以节省大量通 信费用(本端连接)-(对端连接)：-(3)(3)-(2)(7-8)-(1)(6-9)-(5)-(1)-(7-8 ”4)-(6-9)(9-6)-MODE的工作时序：在整个通信过程中，DTR和DSF及 DCD必须一直有效，RTS和CTS用于硬件 流控(软件实现的)，RTS有效时指示DTE可以收，CTS有效时指示DCE可以收 (详见引脚说明)。当电话打入时，交换机SLIC(用户线接口电路)板发出90V振铃信号，MODE识别后发出RI信号

27、，RI变化频率与振铃频率无关，PC机对RI变化记数, 达到触发值时，PC机发出DTR信号通知MODE摘机应答。MODE发出载波后有 效DSR通知PC已摘机。当接收到对端载波后，DCD有效，指示话音通道连通。 通信完毕任一方停止载波，导致两端载波消失， PC检测到DCD无效，就使DTR无效，MODEIM后使DSR无效响应之，一次通信过程结束。现在的MODE一般都可以自动应答，RI信号可忽略。当MODE识别出振铃 后，摘机应答并发载波，同时有效 DSR通知PC机有拨入，PC随即有效DTR 允许拨入。当收到对端载波，MODE有效DCD指示话音通道连通。通信完毕任 一方停止载波，导致两端载波消失，PC

28、检测到DCDE效，就使DTR无效， MODE随后使DSR无效响应之，一次通信过程结束。PC机拨出时，先有效 DTR指示MODE摘机拨号，MODE回应DSRt效，在识别出拨号音后拨号，然后在回铃音结束后发载波，一旦收到对端载波，MODE有效DCD指示话音通路连通。此后，就可以进行 PPPtt、商了。通信完毕 任一方停止载波，导致两端载波消失， PC检测到DCDE效，就使DTR无效，MODE随后使DSR无效响应之，一次通信过程结束。(5)硬件学习方法总结我认为学习硬件最重要的是抓住 4个关键点：引脚、时序、寄存器和协议。硬件的参考资料就是数据手册（datasheet），虽然大部分由英文写成，但是科

29、技 英语并不象想象中那么难，而且数据手册的内容编排有规律可寻。一般，先介 绍总体特点概述（卖点），顺便做一下公司广告（什么leadership 一类的），然后 是结构/功能框图、引脚说明、时序分析、寄存器说明、硬件所实现的具体协议 （USB PCI、E1等）、应用范例demo直流/交流特性、封装、订购信息、联系 方法等，手册里往往还会总结一些图、表、关键字目录索引，方便读者阅读。引脚是对硬件工程师最重要的信息之一，务必将其背记下来。背下来的好 处多多，基本上扫一眼图纸就能猜出芯片是干什么用的；对一些不常用的设计 技巧能马上发现，进而学习之；能立即指出明显的低级错误；能轻易区分不同 型号相同种类

30、的芯片；有利于不断积累硬件经验，熟能生巧。总之，背下引脚 能大大提高工作效率，不必频繁查书，不必中断思路，让精力集中在应用设计 上。面对几百个引脚的芯片，看似无法记住，实则简单 Easy。譬如：地址线32根、数据线32根，电源5根、地线20根，一会儿就记住了 89根引脚线，然后 按功能记I2C、SPI、ST-BUS USB JTAG等固定用法的引脚线，不管用在哪个 芯片上，这些引脚种类和功能都相同，有时，只要记住功能就能把相关引脚一 一背出，或者只须记住差异点即可。一旦背下一个芯片，那么与之类似的一系 列芯片就都不在话下了。万事开头难，一旦习惯了，随时记住几百个引脚的芯片也不是难事，这是 专业

31、硬件工程师的基本功。|时序|时序是硬件工程师获得的另一个重要信息，务必反复咀嚼回味。时序图可 以清楚全面地展示硬件的工作过程，从中我们可以得到想要的细节。硬件设计 的一大任务是抑制干扰噪声，通过分析时序可以找到最佳的处理方法。比如： 在数据的中点采样，可以获得前后各 50%勺抖动裕量；通过满足建立/保持时间, 使得数据采样正确。一般来说，时序图展示的是理想情况下的位置关系，实际电路中还要受到 生产工艺和现场情况的影响。比如：温度、湿度会影响介电常数，进而影响阻 抗匹配。实际波形有上冲、下冲、振铃等幅度变化；相位有超前、滞后变化； 时钟有不同步问题等等。这些问题限制了时序图的适用范围，使用中切记满足 前提条件。例如：PCI的突发访问字节数在时序图上可以做得很大，这样传输 效率高，但是因为生产工艺达不到要求，不能保证时钟低抖动，阻抗也不能完 全匹配，如果突发访问字节数过大，会造成误差累积，导致采样错误，因此实 际中一般限制在4字节以下。我们只可以把时序图当作理论参考，切记不能过 份相信，要看时序只能通过示波器和逻辑分析仪。本来直流和交流特性不是时序内容，但因为对时序影响较大，所以就应该 配合时序一起看。一般芯片厂商会提供DEM飯供设计参考，但DEM就是DEM，不能用于量 产，切记，切记！真实波形的边沿不能象时序图里画的那么陡峭。因为越是陡峭的边沿，频 谱范围越大，旁瓣