嵌入式通信—UART，RS232，RS485通信协议原理详解

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一个广泛使用的串行通信协议，通常用于计算机与外设之间的通信。是一种通用的 串行、 异步通信总线，该总线有两条数据线，可以实现 全双工的发送和接收。UART是一种串行通信协议，它将数据字节逐位传输。UART传输时不需要时钟信号，而是使用起始位和停止位来标识数据帧的开始和结束，因此称为“异步”通信。

通信基础—并行和串行

并行通信

比如说发送0x55 数据，转为二进制为 01010101 ，并行八根数据线，可以一次性传输过去。

串行通信

与并行不同，串行只有一根数据线， 需要依次传输八位数据。

并行通信和串行通信是两种不同的数据传输方式，各自具有独特的优缺点。以下是它们的详细对比：

并行通信优缺点

特点：
并行通信同时传输多位数据，每一位数据使用独立的传输线。常见的并行接口包括PCI、ATA（并行ATA）、并行打印机接口（LPT）。

优点：

1. 高速传输：由于可以同时传输多位数据，并行通信理论上可以比串行通信更快。
2. 低延迟：由于多位数据同时传输，因此延迟较低，适合需要快速响应的应用场景。

缺点：

1. 信号干扰：当数据线较多时，线与线之间的电磁干扰（串扰）可能会导致信号质量下降，特别是在高频下更为显著。
2. 成本高：需要多条数据线，同时每条线需要精确匹配长度，以防止信号不同步，因此布线复杂，成本较高。
3. 距离受限：由于多条线必须保持同步，信号在传输较长距离时容易失真，所以并行通信通常只能用于短距离应用。

串行通信优缺点

特点：
串行通信按顺序逐位传输数据，通常只需要一对传输线（单工时一条）。

扫描二维码关注公众号，回复： 17489721 查看本文章

优点：

1. 布线简单：只需要一对传输线，布线复杂度低，设计和制造成本较低。
2. 抗干扰能力强：因为只有一对信号线，线间串扰少，适合长距离传输。差分信号的串行通信（如RS-485、CAN）更具抗干扰能力。
3. 数据同步性好：串行通信常伴随时钟信号（如SPI、I2C）或自带同步机制，确保数据的完整传输。

缺点：

1. 传输速率相对较低：由于数据逐位传输，单纯比特率通常低于并行通信。但现代高速串行通信（如USB 3.0、PCIe、SATA）通过更高的时钟频率和编码技术提升了速度。
2. 较高延迟：由于逐位传输，相对于并行通信，可能会引入较高的延迟，尤其是在处理大数据量时。

通信基础—单工和全工

单工通信

通信双方，区分发送器和接收器，只能由发送器到接收器 ，单向传递，比如收音机例子，只能接收

双工通信

半双工：

半双工通信允许数据在两个方向上传输，但在同一时间内只能在一个方向上传输。换句话说，通信双方可以轮流发送和接收数据，但不能同时进行。比如说对讲机，同时只能一个人传输数据。

全双工：

全双工通信允许数据在两个方向上同时传输。发送和接收可以同时进行，双方可以在不干扰对方的情况下同时发送和接收数据。比如手机，可以双向通讯

通信基础—波特率

波特率（Baud Rate）是通信系统中的一个关键参数，表示每秒传输的符号数或调制信号的变化次数。它通常用于描述串行通信中的数据传输速率。

在串行通信中，如UART、RS-232、SPI等，波特率的单位是bps，全称是bit per second，意为每秒钟传输的bit数量。波特率决定了数据传输的速度。例如，波特率为9600的UART通信表示每秒可以传输9600个比特。

串行通信中常用的波特率有以下几种：

• 9600
• 19200
• 38400
• 57600
• 115200
• 230400
• 460800

UART帧格式

• 起始位：发送1位逻辑0（低电平），开始传输数据。
• 数据位：可以是5~8位的数据，先发低位，再发高位，一般常见的就是8位（1个字节），其他的如7位的ASCII码。
• 校验位：奇偶校验，将数据位加上校验位，1的位数为偶数（偶校验），1的位数为奇数（奇校验）。
• 停止位：停止位是数据传输结束的标志，可以是1/1.5/2位的逻辑1（高电平）。
• 空闲位：空闲时数据线为高电平状态，代表无数据传输。

如果传输数据0X33（00110011），那么对应的波形就是如下这样，因为是LSB在前，所以8位数据依次是11001100

UART存在的问题

电气接口不统一

在不同的设备或系统中，UART接口的电气特性可能不一致。主要原因是UART并没有严格规定其使用的电气标准，导致不同设备间在实际连接时可能不兼容。具体表现包括：

1. 电压电平差异：UART的信号电平在不同设备上可能有所不同，例如：

   • RS-232 标准的电压范围通常在 -12V 到 +12V 之间。
   • TTL（Transistor-Transistor Logic） UART 通常使用 0V（低电平）和 3.3V 或 5V（高电平）。
   • 一些嵌入式设备甚至可能使用 1.8V 的信号电平。

   不同电压标准的设备直接连接可能导致通信失败，甚至损坏设备。

2. 接地参考不一致：不同设备可能对电气接地参考的定义不同，特别是在长距离通信时，接地不匹配可能引发噪声或干扰。

3. 连接器差异：UART没有规定统一的连接器类型，因此不同设备可能使用不同的引脚定义和接口形式（如DB9、DB25、IDC排线等），导致物理连接上也存在不兼容性。

RS2-32协议

RS-232协议 是一种标准的串行通信协议，全称为 “Recommended Standard 232”，用于定义在串行数据通信中如何传输数据。RS-232曾广泛用于计算机和外围设备（如调制解调器、打印机等）之间的通信，尤其是在上世纪80年代和90年代。在嵌入式系统中，RS-232仍然用于一些低速、短距离通信场合。

RS-232协议的主要特性

1. 电气特性：

   • 信号电压：RS-232使用高电压电平来表示逻辑状态。标准规定：
     • 逻辑“1”（空闲状态，通常为负电平）电压在 -3V 到 -15V 之间。
     • 逻辑“0”（有效状态，通常为正电平）电压在 +3V 到 +15V 之间。
   • RS-232的电压范围较大，因此抗干扰性好，但与现代的低电压逻辑电路（如TTL电平）直接不兼容，需要转换电平。

   **电平转换：**一般会在处理器外部添加电路对信号的电平进行转换。比如说MAX232芯片

   

2. 信号方向和功能：

   • 全双工通信：RS-232支持全双工通信，意味着发送和接收数据可以同时进行。
   • 单端信号传输：信号通过一根线传输（带有公共接地），而不像RS-485等协议使用差分信号。
   • 常见的信号线包括：
     • TXD (Transmit Data)：发送数据线。
     • RXD (Receive Data)：接收数据线。
     • RTS (Request to Send)：请求发送。
     • CTS (Clear to Send)：清除发送（握手信号）。
     • DTR (Data Terminal Ready)：数据终端就绪。
     • DSR (Data Set Ready)：数据设置就绪。
     • GND (Ground)：接地信号。

3. 传输方式：

   • 异步通信：RS-232采用异步通信方式，即无需额外的时钟信号来同步发送和接收端的传输，使用起始位、数据位和停止位来标记数据帧的开始和结束。
   • 波特率：定义每秒传输的比特数。常见波特率有 9600, 19200, 38400, 115200 bps 等。

4. 连接器类型：

   • 最常见的连接器类型是 DB9 和 DB25。这些数字表示连接器上的引脚数量。
   • 在标准的 DB9 引脚中，常用的引脚包括：
     • 引脚2：RXD
     • 引脚3：TXD
     • 引脚5：GND

5. 通信距离和速率：

   • 通常，RS-232适合短距离（一般小于 15米）通信，因为电压信号会随距离增加而衰减。
   • 传输速率一般在 20 kbps 以下。

6. 帧结构：

   • 起始位：1位，标记数据帧的开始，通常是低电平（逻辑0）。
   • 数据位：5-9位，表示实际传输的数据。
   • 校验位（可选）：1位，用于检测错误。
   • 停止位：1-2位，标记数据帧的结束，通常是高电平（逻辑1）。

   现在用的比较多的就是常见的三根线 RX TX GND

   

RS-232的常见应用

1. 计算机串行端口通信：早期的个人电脑通常带有RS-232接口，用于连接调制解调器、鼠标、打印机等外围设备。
2. 嵌入式系统：在一些嵌入式系统和工业控制中，RS-232用于低速、短距离通信。
3. 调试接口：RS-232作为一种简单且易于实现的通信协议，常用于嵌入式系统的调试和固件更新。

RS-232存在的问题

尽管 RS-232 在早期广泛用于串行通信，但随着技术进步，其也逐渐暴露出一些问题和局限性，尤其是在现代通信需求下。以下是 RS-232 存在的主要问题：

1. 传输距离有限

• RS-232的传输距离通常不超过 15米。随着距离增加，电压信号逐渐衰减，容易导致数据传输不稳定或丢失。
• 在长距离传输中，信号可能受到干扰或产生误码，因此它不适合用于远程通信场景。

2. 传输速率低

• RS-232的传输速率较低，通常在 20 kbps 以下，最大支持 115.2 kbps。与现代接口相比，如 USB、Ethernet 等，RS-232无法满足高带宽的应用需求。
• 对于需要高速数据传输的应用（如视频、音频数据），RS-232的带宽限制显得尤为明显。

3. 信号是单端传输，易受干扰

• RS-232采用 单端信号 传输，信号通过一根线传输，另一根线是接地参考。这种方式容易受噪声和电磁干扰的影响，尤其是在工业环境或长距离传输中。
• 相比之下，像 RS-485 使用差分信号传输方式，抗干扰能力更强，适用于长距离通信。

4. 接口不统一

• RS-232有多个连接器标准，例如 DB9、DB25 等，不同设备之间的引脚定义可能不同。因此在使用时，可能需要特殊的转接线或适配器，增加了连接复杂性。
• 此外，由于没有统一的电气接口标准，不同设备的电平电压（-12V到+12V）不一致，直接连接可能会导致通信失败甚至损坏设备。

5. 点对点通信

• RS-232仅支持 点对点 通信，意味着只能连接两台设备。这在多设备通信场景下显得局限，难以扩展。
• 现代通信需求通常涉及多个设备间的网络通信，而像 RS-485 等协议可以支持多点通信。

RS-485协议

RS-485协议 是一种常用于工业通信的串行通信标准，特别适合需要长距离、高速、可靠数据传输的场景。全称为 “Recommended Standard 485”，RS-485克服了RS-232的一些局限，尤其在多点通信、抗干扰和传输距离等方面有明显优势。

RS-485协议的主要特性

1. 差分信号传输

• RS-485 使用 差分信号传输，即通过两根信号线（标记为 A 和 B）传输数据，信号是两根线的电压差。
• 当A线的电压高于B线时表示逻辑“1”，反之则表示逻辑“0”。
• 这种差分传输方式比单端传输（如RS-232）抗干扰能力强，能够有效抵御电磁干扰（EMI），特别适合在噪声环境中使用。

2. 长距离通信

• RS-485 的通信距离远远超过RS-232，最大传输距离可达 1200米，这在工业控制、楼宇自动化、交通系统等需要远程通信的应用中非常重要。
• 即便在较远的距离上，信号的衰减和噪声影响也较小，保证了数据传输的稳定性。

3. 多点通信

• RS-485 支持多点通信，这意味着多达 32个发送器 和 32个接收器 可以连接在同一总线上。
• 这使得RS-485非常适合用于需要多个设备之间通信的场合，如工厂自动化设备、传感器网络、远程终端控制等。

4. 传输速率

• RS-485的传输速率和距离成反比。传输距离较短时，传输速率可以达到 10 Mbps；随着传输距离的增加，速率会下降。在1200米的距离上，传输速率大约为 100 kbps。
• 它比RS-232的传输速率要高得多，能够适应一些中速数据传输的场景。

5. 半双工和全双工通信

• RS-485 默认是 半双工 通信，即同一时刻只能发送或接收数据，无法同时进行。大多数应用场合下，RS-485是通过一对差分线实现的半双工通信。
• 但如果需要全双工通信，可以使用四线制配置（两对差分线），实现同时发送和接收数据。

6. 信号线

• 常用的信号线有 A 和 B，这两根线组成差分信号对，用于传输数据。
• 另外，还有一根 GND（接地线），用作信号参考。

RS-485的工作原理

1. 差分传输

RS-485通过两根线（A和B）传输差分信号。差分传输的特点在于抗干扰能力强，这是因为它依赖于两条信号线之间的电压差，而非绝对的电压值。由于两条线的信号是相反的，外界的电磁干扰往往同时作用于这两条线，从而被抵消，保证了通信的可靠性。RS485接口信号的电平比RS232降低了，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便TTL电路连接。但是不一定符合RS485的电气标准，一般仍需要电路转换芯片，将TTL信号转换为差分信号

2. 总线拓扑

• RS-485支持多点通信，这意味着多个设备可以共享同一条通信总线。
• 每个设备可以是主动发送者（Master）或接收者（Slave），主设备和从设备之间可以建立灵活的通信关系。
• 设备通过监听总线上发送的数据，并根据地址或协议识别是否是发给自己的数据。

RS-485与RS-232的对比

特性	RS-485	RS-232
信号传输方式	差分信号（抗干扰强）	单端信号（易受干扰）
最大通信距离	1200米	15米
最大传输速率	10 Mbps（短距离）	115.2 kbps
通信模式	多点（最多32个设备）	点对点
抗干扰能力	很强，适用于工业噪声环境	较弱
全双工支持	支持全双工和半双工（视配置而定）	全双工