目录
1. 串口协议的三层结构：
| 层次 | 功能描述 | 主要内容 | 实例协议 |
| 物理层 |
负责数据传输的物理媒介和硬件接口 |
电压电平、波特率、传输介质、接头类型 |
RS-232、RS-485、TTL |
| 数据链路层 |
负责将数据封装成帧并处理错误检测、流量控制和同步 |
数据帧（起始位、数据位、停止位、校验位）、错误检测、流量控制 |
UART、Modbus RTU、XMODEM |
| 应用层 |
负责定义数据格式、命令和响应，实现与上层应用的交互 |
命令、数据格式、响应内容 |
Modbus、AT命令、NMEA 0183 |
2. 物理层（Physical Layer）
物理层负责数据的实际传输，即通过电缆、无线等媒介发送和接收比特流。这一层定义了串口通信所需的硬件标准和传输介质。
功能和内容：
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信号传输：定义了通过串口传输的信号类型（如电平、频率等），通常使用的是RS-232、RS-485、TTL（Transistor-Transistor Logic）等标准。
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电压电平：不同标准会有不同的电压电平来表示“0”和“1”。例如，RS-232通常使用 +12V 和 -12V 来表示逻辑“0”和“1”。
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传输速率：规定了数据传输的速率（波特率），例如 9600、115200、921600 bps 等。
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接头和接口标准：物理连接标准（例如 DB9、DB25 接口）。
典型标准：
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RS-232：常用于计算机与外设的串行连接，最大传输距离一般为15米，速度从300 bps到115200 bps不等。
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RS-485：适用于远距离或多点通信，支持更高的抗干扰能力。
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TTL：通常用于短距离设备间的通信，电平为0V和3.3V（或5V）。
3. 数据链路层（Data Link Layer）
数据链路层负责将物理层提供的比特流转化为可管理的数据帧，并处理可靠性问题。它确保了数据的正确传输，并负责错误检测和纠正。
功能和内容：
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数据帧封装：这一层把数据封装成帧，包括帧头、数据部分和校验部分。数据帧可能会带有一些控制信息，如起始位、停止位、校验位等。
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起始位：标识数据帧的开始。
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数据位：实际传输的数据，通常为8位。
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停止位：标识数据帧的结束。
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校验位：用于检测数据是否出错（如奇偶校验）。
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错误检测和纠正：数据链路层会检查数据的完整性，通常使用校验位或校验和来检测传输错误。若发现错误，数据链路层负责请求重发数据。
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流量控制：在一些协议中，数据链路层还负责流量控制，确保发送方不会发送超过接收方处理能力的数据量。
典型的协议：
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RS-232 和 RS-485 是常见的串口协议的物理层标准，而 UART、Modbus RTU、XMODEM 等则通常在数据链路层运行。
3.1 UART协议概述
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种通用的异步串行通信接口，用于串口通信，是嵌入式系统中非常常见的硬件模块。UART 是一种点对点通信协议，广泛用于嵌入式系统、计算机、传感器、模块等设备之间的数据传输。
3.1.1 UART 数据帧结构
| 字段 | 描述 |
| 起始位（Start Bit） | 数据帧以 1 个低电平（0） 开头，表示通信的开始 |
| 数据位（Data Bits） | 实际传输的数据，通常为 5~9 位（常见为 8 位） |
| 校验位（Parity Bit，非必需） | 可选位，用于检测数据传输错误。类型包括奇校验（Odd Parity）或偶校验（Even Parity） |
| 停止位（Stop Bit） | 数据帧结束的标志，通常为 1 个或 2 个高电平（1） |
3.1.2 典型数据帧结构
| Start Bit | Data Bits (8) | Parity Bit (Optional) | Stop Bit (1/2) |例如，常见的 UART 数据帧为 8N1：
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8：8 个数据位。
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N：无校验位（None）。
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1：1 个停止位。
3.1.3 常用物理层标准
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RS-232：
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早期的串口通信标准，支持点对点通信。
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电压范围：-15V~+15V，噪声抗干扰能力较差。
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RS-485：
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半双工通信，支持多点通信（最多 32 台设备）。
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电压范围：差分信号，+5V 和 -5V，抗干扰能力较强。
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常用于工业控制场景。
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TTL：
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电压范围：电平为0V和3.3V（或5V）
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常用于短距离通信
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3.2 Modbus RTU 协议概述
Modbus RTU 是一种广泛应用于工业自动化领域的串行通信协议，尤其用于在设备之间传输数据。Modbus RTU 是 Modbus 协议 的一种实现方式，特别适用于串行通信（如 RS-232 或 RS-485）中，常用于连接PLC、传感器、执行器和其他设备。
3.2.1 Modbus RTU 消息格式
| 字段 |
长度(位) |
描述 |
| 地址字段 |
8位 |
表示目标设备的地址。有效范围是 1 至 247 |
| 功能码 |
8 位 |
定义了从设备执行的操作（如读取或写入） |
| 数据字段 |
可变长度 |
包含请求或响应的数据，具体内容取决于功能码 |
| CRC 校验码 |
16 位 |
用于检测数据的完整性和传输过程中的错误 |
3.2.2 Modbus RTU 数据帧示例
假设主设备发送一个读取保持寄存器（功能码 0x03）的请求，目标设备地址为 0x01，读取 2 个寄存器，每个寄存器 16 位（2 字节）
请求数据帧：
| 地址 | 功能码 | 数据长度 | 数据 | CRC |
|-------|--------|----------|--------------|------|
| 0x01 | 0x03 | 0x02 | 0x00 0x02 | CRC |-
地址：
0x01，目标设备地址 -
功能码：
0x03，表示读取保持寄存器 -
数据长度：
0x02，表示请求读取 2 个寄存器 -
数据：
0x00 0x02，表示读取的数据或命令 -
CRC：校验和，用于确保数据传输的完整性
响应数据帧（假设设备返回两个寄存器的值 0x0010 和 0x0020）：
| 地址 | 功能码 | 字节数 | 数据 | CRC |
|-------|--------|--------|-------------------- |
| 0x01 | 0x03 | 0x04 | 0x00 0x10 0x00 0x20 | CRC |-
地址：
0x01，目标设备地址 -
功能码：
0x03，表示读取保持寄存器 -
字节数：
0x04，表示返回 4 个字节的数据 -
数据：
0x00 0x10 0x00 0x20，表示读取的 2 个寄存器的值 -
CRC：校验和
4. 应用层（Application Layer）
应用层负责与应用程序的交互，是串口协议的最高层，主要用于控制和管理数据的传输内容和格式。应用层协议定义了数据的格式、命令、响应以及如何解释这些数据。
功能和内容：
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协议格式和语法：定义如何格式化发送和接收的数据。例如，一些串口协议可能规定数据帧中应包含特定的命令、数据字段和响应。
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命令和响应：应用层会定义不同的命令和相应的响应。例如，传感器设备可能通过串口接收查询命令并返回传感器数据。
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数据解析与处理：应用层还会负责接收到的数据的解析和处理。收到的数据将被转换成具体的业务数据，如设备的状态、传感器测量值等。
常见协议示例：
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Modbus：一种广泛用于工业自动化的串口通信协议，定义了设备如何通过串口请求数据或发送命令。
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AT命令：用于控制调制解调器或手机等设备的通信命令集。
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NMEA 0183：用于船舶和航空电子设备的通信协议，定义了GPS设备、导航设备如何通过串口传递信息。