【串口通信详解】USART/UART、RS232、RS485标准接口与协议特点解析

串口通信详解：USART/UART、RS232、RS485标准接口与协议特点解析

Thmos_vader

3013人浏览 · 2024-08-18 09:45:00

Thmos_vader · 2024-08-18 09:45:00 发布

通信协议与接口知识参考文章：
【通信理论知识】数据传送的方式：串/并行；传输方向：单工、半/全双工；传输方式：同步/异步
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UART通用异步收发传输器

UART全称是通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)
UART 是一种异步收发传输器, 是设备间进行异步通信的关键模块，UART负责处理数据总线和串行口之间的串/并、并/串转换，并规定了帧格式。
通信双方只要采用相同的帧格式和波特率，就能在未共享时钟信号的情况下，仅用两根信号线，接RX 和TX，就可以完成通信过程，是典型的异步串行通信。

UART可以实现全双工传输和接收。

加上 S 则有同步（USART通用异步/同步收发传输器）

同步通信：有共同的参考时钟
异步通信：没有共同的参考时钟，以固定波特率传输

特点

通用串行异步收发器，全双工通信
TTL电平标准：+3.3/+5表示1 0V表示0
需要双方约定好传输的波特率（因为没有时钟线）
空闲位是高位
不能连续发数据，一次最多发5-8位（防止误差累计，因为没有时钟线）

引脚

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帧格式

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时序

波特率：
	一般选波特率都会有9600,19200,115200等选项。其实意思就是每秒传输这么多个比特位数 (bit)；
起始位：
	先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输数据的开始；
数据位：
	可以是5~8位逻辑”0”或”1”，先传输bit 0，在传输bit 1，依次类推；
校验位：
	数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。
	校验位是可选的，可以不传输；
停止位：
	它是一个字符数据的结束标志，数据线变回逻辑”1”；

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发送一个字节

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USART优缺点

优点：
	通信只需要两条数据线；
	无需时钟信号；
	有奇偶校验位，方便通信的差错检查；
	只需要接收端和发送端设置好数据包结构，即可稳定通信；
缺点：
	传输速率较低：
		数据帧最大支持9位数据
	电气接口不统一：
		uart通信时一般使用处理器的电平，即TTL电平，但不同处理器电平存在差异（3.3V或1.8V，或CMOS电平）
		因此不同的处理器的uart不能直接相连接。此外不用的器件没有一个统一的接口，硬件连接不方便。
	抗干扰能力差：
		使用TTL的电平来表示1和0，传输中容易出错
	通信距离短：
		一般仅用于一个电路板上的2个芯片通信

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RS232

接口标准

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电平标准

传输信号电压级别（重要）：
+5 ～ +15 V表示1 5 ～ -15 V表示0
接收信号电压级别：
二进制0：+3 ～ +32 Vdc 二进制1：-3 ～ -30 Vdc
依赖UART串口协议，在电气层面做处理，统一了接口标准（如下），能传得更远和更快

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MCU通过TTL发出来的信号要接一个电平转换芯片去转成RS232的信号，如MAX232芯片。类似usb-ttl芯片（ch340，cp2302）

特点

抗干扰能力增加，通信距离大致15m

数据格式如下

起始位：二进制0				  数据：5、6、7或8位
奇偶校验：奇、偶、mark或			space（不适用于8位数据）
停止位：二进制1，一位或两位

RS232的问题

接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片；
与TTL电平不兼容，所以需要使用电平转换芯片才能与TTL电路连接。
通信速度较低，易产生共模干扰，抗噪声干扰性较弱，传输距离较短(15m)

RS485（差分信号输出、半双工）

RS485的优势

接口电平值较低，不易损坏接口电路的芯片，且与TTL电平兼容。可方便地与TTL电路连接；
通信速度快
抗噪声干扰性强
传输距离较远（1500m）
可实现多节点组网

接口标准

电平标准

电平标准：差值 +2v～+6v 表示1 -2v～-6v表示0
在MCU后接一个TTL转485的芯片（单端传差分），比如MAX485

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特点：差分信号输出、半双工

通信用双绞线，差分信号，抗干扰强
信号在发送之前，通过RS485的收发器把单端信号转换成差分信号，再发送到总线上进行传输；
同样在接收之前，总线上的差分信号通过收发器的转换变成单端信号再送给UART控制器进行接收；
采用两线制，因为用的差分信号，所以两根线表示一个信号，只能半双工。是不是感觉和I2C很像？只是I2C规定好了主机怎么管理从机，在编程RS485时完全可以仿照I2C的主从逻辑，避免冲突。
在RS485总线上，如果希望进行全双工的双向通讯，需要两对差分信号线（即4根信号线）。如果只进行半双工的双向通讯，则仅需要一对差分信号即可；

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优秀文章参考

底层机制与寄存器：

	http://t.csdnimg.cn/1qIPj

精简应用理论知识：

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkzNzYxMjkwNg==&mid=2247484926&idx=1&sn=a0516b8463b7f17c676baa4fee0212f9&chksm=c28d86fbf5fa0fed1831277e92ff4f62060e358553f14f730bae41febc9743fb134fa1d31645&scene=21#wechat_redirect

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