文章目录
- 一、UART
- 1. 物理连接
- 2. 数据帧格式（Frame Structure）
- 典型 8N1 帧格式（最常见）：
- 3. 传输时序与波特率
- 4. 配置参数（通信双方必须一致）
- 5. 工作流程（以 8N1 为例）
- 6. 优缺点
- 7. 实际应用示例
- 8.TTL-UART、RS-232、RS-422、RS-485介绍
- ①核心：UART - 通信的“协议”
- ②TTL-UART - 芯片级的“语言”
- ③RS-232 - 老而弥坚的“标准串口”
- ④RS-422 - 走向“平衡传输”
- ⑤RS-485 - 工业应用的“王者”
- ⑥总结与类比
- a. RS-485 与 RS-422区别
- a.1 最核心的区别：发送器的数量和能力
- a.2 RS-485 与 RS-422 详细对比表
- a.3 核心区别详解与类比
- a.3.1 发送器数量：这是“万恶之源”
- a.3.2 通信模式：由核心区别自然衍生
- a.3.3 电路实现：使能引脚（DE/RE）
- a.4 如何选择？
- a.5 总结
- ⑦学习与实践建议
- 9. 小结（一句话记忆）
一、UART
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种异步串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统、单片机、FPGA、PC 与外设之间的通信。以下从物理连接、数据帧格式、传输时序、配置参数、优缺点等方面详细解析 UART 协议。
1. 物理连接
- 仅需两根数据线：
- TX（Transmit）：发送端
- RX（Receive）：接收端
- 全双工通信独立的，可同时收发数据。就是：TX 和 RX
- 无需时钟线：属于异步通信，通信双方需预先约定好波特率。
2. 资料帧格式（Frame Structure）
| 字段 | 位数 | 电平 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 起始位 | 1 bit | 逻辑 0 | 表示信息帧开始 |
| 数据位 | 5~9 bits | 逻辑 0/1 | 实际传输数据（常用 8 bits） |
| 校验位 | 0/1 bit | 逻辑 0/1 | 可选，奇/偶校验 |
| 停止位 | 1~2 bits | 逻辑 1 | 表示数据帧结束 |
典型 8N1 帧格式（最常见）：
| 起始位 | 数据位 | 校验位 | 停止位 |
|---------|---------|----------|---------|
| 1 | 8 | 无 | 1 |3. 传输时序与波特率
- 波特率（Baud Rate）：每秒传输的 bit 数，单位为 bps（bits per second）。
- 常见值：9600、19200、38400、57600、115200、921600 等。
- 示例：115200bps 表示每秒传输 115200 个 bit，每个 bit 持续约 8.68μs。
- 异步传输：每帧独立，帧间空闲线为高电平（逻辑 1）。
4. 配置参数（通信双方必须一致）
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 波特率 | 通信速率（如 9600、115200） |
| 数据位 | 每帧内容位数（5~9，常用 8） |
| 校验位 | 无校验、奇校验、偶校验 |
| 停止位 | 1 位、1.5 位或 2 位（常用 1 位） |
| 流控 | 无流控、硬件流控（RTS/CTS） |
5. 工作流程（以 8N1 为例）
- 空闲状态：线路保持高电平（逻辑 1）。
- 起始位：发送端拉低线路（逻辑 0），接收端检测到下降沿后启动接收。
- 数据位：按低位到高位顺序发送 8 位数据。
- 校验位（可选）：发送端计算奇偶校验位并附加。
- 停止位：发送端拉高线路（逻辑 1），接收端校验数据并准备接收下一帧。
6. 优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 硬件方便，仅两根线 | 无多主从机制，仅点对点 |
| 全双工通信 | 无硬件流控时易丢数据 |
| 成本低，易实现 | 抗干扰能力弱，距离受限（RS-232 约 15 米） |
7. 实际应用示例
MCU ↔ PC：借助 USB-to-UART 芯片（如 CH340、FT232）连接电脑串口助手。
MCU ↔ 传感器：如 GPS 模块、蓝牙模块（HC-05）等。
调试打印：嵌入式开发中常用 UART 输出日志信息。
传输示例：以9600，8-N-1（9600波特率，8个数据位，没有校验位，1位停止位）为例，这是目前最常用的串口配置，现在我们传输“O”“K”两个ASCII值，“O”的ASCII为79，对应的二进制数据为01001111，“K”对应的二进制数据为01001011，传输的格式材料如下图所示：
8.TTL-UART、RS-232、RS-422、RS-485介绍
①核心：UART - 通信的“协议”
开始要明白最重要的一点：物理层的电气标准就是UART是核心协议，而RS-232、RS-422、RS-485。它们的关系就像“交通规则”和“道路类型”。
- UART：中文叫通用异步收发传输器。它是一种异步串行通信协议。
- “异步”：指通信双方没有统一的时钟信号线，而是各自利用自己的时钟，并通过事先约定好的波特率（每秒传输的比特数）来同步。
- “串行”：数据一位一位地按顺序在一条线上传输。
- 它做什么：UART负责将单片机内部的并行数据（比如8位、32位的数据总线）转换成串行数据流一位一位地发出去，同时也把接收到的串行数据流转换回并行信息给CPU处理。
- 它在哪里：UART通常是微控制器（MCU）内部的一个外设模块。你通过设置它的寄存器来设置波特率、数据位、停止位、校验位等参数。
- 它的信号：UART通常使用TTL电平。
②TTL-UART - 芯片级的“语言”
- TTL：是“Transistor-Transistor Logic”的缩写，是一种电平标准。
- 电平：指用什么电压范围代表逻辑
1和逻辑0。- TTL电平：逻辑
1-> +3.3V 或 +5V；逻辑0-> 0V。
- TTL电平：逻辑
- TTL-UART：就是指信号电平为TTL电平的UART通信。
- 特点：
- 传输距离很短（通常<0.5米 ），因为高电平（3.3V/5V）很容易受到外界干扰导致信号衰减和失真。
- 抗干扰能力差。
- 点对点通信（一对一）。
- 你在哪能看到它：单片机开发板的引脚上！ 比如ESP32、STM32、Arduino Uno上的
TX(发送) 和RX(接收) 引脚。你绝对不能把这两个引脚直接接到电脑的RS-232串口上，会烧坏芯片！因为电平不匹配。
- 特点：
| 特性 | TTL-UART |
|---|---|
| 电平标准 | TTL (3.3V/5V) |
| 通信方式 | 全双工 (发送和接收可同时进行) |
| 拓扑结构 | 点对点 |
| 传输距离 | 非常短 (<0.5m) |
| 常见场景 | MCU内部、板级器件间通信（如GPS、蓝牙模块） |
③RS-232 - 老而弥坚的“标准串口”
为了应对TTL电平距离短、抗干扰差的疑问，人们制定了RS-232标准。
- 它是什么：一种串行通信的电气标准，它规定了电平、连接器形状、引脚定义等。
- 电平：
- 逻辑
1-> -3V ~ -15V(称为“负逻辑”) - 逻辑
0-> +3V ~ +15V
- 逻辑
- 特点：
- 传输距离显著延长（可达15米左右）。
- 抗干扰能力比TTL强，因为使用了更高的电压和负电压，噪声容限更大。
- 仍然是点对点全双工通信。
- 接口通常为DB9或DB25针式连接器。
- 你在哪能看到它：老式电脑的COM口、工控设备、一些医疗仪器等。现在的新电脑核心没有这个接口了。
- 重要提示：MCU的TTL-UART信号必须通过一个“电平转换芯片”（如MAX3232）转换成RS-232电平，才能与标准的RS-232设备连接。
| 特性 | RS-232 |
|---|---|
| 电平标准 | ±3~15V (负逻辑) |
| 通信方式 | 全双工 |
| 拓扑结构 | 点对点 |
| 传输距离 | ~15米 |
| 常见场景 | 电脑COM口、工控设备、调制解调器 |
④RS-422 - 走向“平衡传输”
RS-232虽然解决了距离难题，但速度还是上不去，距离再远也不行。于是有了更先进的RS-422。
核心改进：采用了差分信号（平衡传输）。
- 差分信号：用两条线
A和B来传输一个信号，通过检测这两条线之间的电压差来判断逻辑。- 逻辑
1->(A-B) < -0.2V - 逻辑
0->(A-B) > +0.2V
- 逻辑
- 差分信号：用两条线
优点：
- 极强的抗共模干扰能力。外界干扰会同时作用于两条线，电压差基本不变，从而被抵消。
- 传输距离更远（可达1200米）。
- 速度更高。
通信方式：单工或全双工。通常是一主对多从，但同一时刻只能有一个发送器工作。
拓扑结构：点对多（单主多从）。
| 特性 | RS-422 |
|---|---|
| 电平标准 | 差分信号 (±0.2V以上) |
| 通信方式 | 全双工 (4线制) 或 半双工 (2线制) |
| 拓扑结构 | 点对多点（单主多从） |
| 传输距离 | 可达1200米 (速率较低时) |
| 常见场景 | 工业环境、长距离布线 |
⑤RS-485 - 工业应用的“王者”
RS-485是RS-422的扩展和增强，是当今工业领域应用最广泛的串行通信标准。
与RS-422的关系：RS-485几乎继承了RS-422的所有优点（差分传输、长距离、高抗扰）。
关键增强：
- 真正的多点总线：允许在一条总线上挂接多达32个甚至128个收发器（通过增加中继器可更多）。
- 所有设备都行作为发送器，但需要遵循“一问一答”的协议（如Modbus），避免冲突。
通信方式：半双工（2线制，最常用）或全双工（4线制）。
特点：
- 多节点组网能力。
- 极佳的抗干扰性和长距离传输特性。
- 要求软件协议来管理总线访问（如Modbus RTU）。
你在哪能看到它：工业自动化（PLC、传感器、变频器）、楼宇自动化、安防体系（门禁、摄像头）等。
| 特性 | RS-485 |
|---|---|
| 电平标准 | 差分信号 (±0.2V以上) |
| 通信方式 | 半双工 (2线制，最常用) 或 全双工 (4线制) |
| 拓扑结构 | 多点总线（多主或多从） |
| 传输距离 | 可达1200米 (速率较低时) |
| 常见场景 | 工业控制网络、多设备通信 |
⑥总结与类比
这里有一个简单的类比：
| 标准 | 类比 | 特点 |
|---|---|---|
| TTL-UART | 两个人面对面小声说话 | 距离极近，只能一对一，容易听错 |
| RS-232 | 两个人拿着喇叭喊话 | 距离远了，但还是一对一，噪声大时听不清 |
| RS-422 | 一个人用麦克风讲话，很多人用耳机听 | 距离很远，一对多，抗干扰强，但听众不能发言 |
| RS-485 | 一群人共用一对讲频道 | 距离远，多对多，抗干扰强，但要按规则轮流发言 |
a. RS-485 与 RS-422区别
a.1 最核心的区别：发送器的数量和能力
- RS-422：规定总线上只能有一个发送器（Transmitter）一个就是，但允许有多个接收器（Receiver）。这单主（1个发送器）多从（多个接收器） 的系统。
- RS-485：规定总线上可以有多个发送器一个就是（通常最多32个），每个设备都可以作为发送器或接收器。这多主或多从的系统。
这个硬件上的根本差异，像一颗种子，生长出了它们所有的其他区别。用一个详细的对比表格和解释来展开。
a.2 RS-485 与 RS-422 详细对比表
| 特性 | RS-422 | RS-485 |
|---|---|---|
| 官方名称 | TIA/EIA-422 | TIA/EIA-485 |
| 核心区别 | 只能有1个发送器 | 允许多个发送器(e.g., 32, 128) |
| 通信模式 | 全双工 (4线制) • 一对线只用于发送 (A-B) • 另一对线只用于接收 (Y-Z) | 半双工 (2线制, 最常用) • 一对线轮流用于发送和接收 (A-B) 或全双工 (4线制) |
| 拓扑结构 | 点对多点(1主发，多从收) | 多点总线(多主或多从，所有设备都可发可收) |
| 差分电压 | 逻辑 1: (A - B) < -0.2V 逻辑 0: (A - B) > +0.2V | 逻辑 1: (A - B) < -0.2V 逻辑 0: (A - B) > +0.2V |
| 传输距离 | 可达 1200米(在较低速率下) | 可达 1200米(在较低速率下) |
| 数据速率 | 距离短时可达10 Mbps | 距离短时可达10 Mbps |
| 典型应用场景 | • 点对点高速传输 • 一主设备广播内容，多从设备接收 • 工业摄像头、高速数据记录 | • 工业自动化(PLC, 传感器, 变频器) • 楼宇自控、安防平台 • 任何需要组网的场合 |
a.3 核心区别详解与类比
a.3.1 发送器数量：这是“万恶之源”
RS-422的设计初衷是延长通信距离和提高抗干扰能力，并支持一个信号源驱动多个接收端。它像一个广播站：
- 有一个广播塔（主设备发送器）。
- 成千上万的收音机（从设备接收器） 可以收听。
- 收音机不能反向对广播塔说话。假设要双向通信，RS-422需要单独再建立一条“返回通道”（即4线全双工），但返回通道同样只能有一个发送器。
RS-485的设计初衷是创建真正的多点通信网络。它像一个对讲机频道：
- 很多人都拥有对讲机（每个设备都可发可收）。
- 大家共用同一个频道（总线）。
- 规则是：同一时刻只能有一个人按下按键讲话（作为发送器），其他人只能听（作为接收器）。讲完后要说“完毕”，然后松开按键，其他人才能接着讲。
- 该“规则”就是软件协议（如Modbus），它来协调谁在什么时候“发言”，避免冲突。
a.3.2 通信模式：由核心区别自然衍生
- RS-422因为发送和接收通道是独立的（各有1对差分线），所以可以轻松实现全双工（同时收和发）。
- RS-485为了建立多设备挂接在一对线上，通常采用半双工模式。这样布线更简单，成本更低，是绝大多数应用的首选。RS-485也支持全双工（4线制），但这需要两对线，并且实际上创建了两个独立的信道（一个主发从收，一个从发主收），失去了2线制方便布线的优势。
a.3.3 电路实现：使能引脚（DE/RE）
- 由于RS-485设备需要随时在发送和接收模式之间切换，所以RS-485收发器芯片（如MAX485、SP3485）都有一个独有的发送使能（DE） 和接收使能（RE）引脚（有时合并为一个引脚控制）。
- 当你的设备要发送数据时，MCU必须先将DE引脚拉高，激活发送器，然后再通过TX引脚发送数据。发送结束后，再将DE拉低，切换回接收模式，监听总线。
- RS-422不需要这个功能，因为它的发送器和接收器是独立且一直工作的。
a.4 如何选择？
- 选择 RS-422：当你需要高速、长距离、单向传输或全双工点对点通信时。例如，一台计算机同时向多个显示器发送数据。
- 选择 RS-485：当你需要构建一个多设备的网络，设备之间需要双向通信工业环境中的绝对主流。就是时。这几乎所有需要联网的工业设备（PLC、仪表、传感器）都首选RS-485接口。
a.5 总结
一句话概括：
RS-422是一个优秀的“广播系统”，而RS-485是一个强大的“局域网”。
它在工业领域远比RS-422更常见的原因。就是RS-485在RS-422的基础上，借助允许“多个发送器”这一革命性改进，成为了构建分布式设备网络的首选标准，这也
⑦学习与实践建议
- 从TTL-UART入手：在你学习的初期，最常打交道的就是TTL-UART。用一根USB转TTL串口线（CH340、CP2102、FT232等芯片）连接你的电脑和开发板，通过串口助手工具进行打印调试（
printf）和收发数据。这是嵌入式开发的“printf调试大法”，至关重要。 - 理解电平转换：做一个实验，尝试用MAX3232芯片将你的开发板TTL信号转换成RS-232电平，连接一个老设备（要是有的话）。
- 深入了解RS-485你的首选。学习如何利用MAX485这类收发器芯片，并了解其就是：当你需要做项目，比如连接多个传感器或控制多个电机时，RS-485将使能引脚（DE/RE）的控制时序（切换发送和接收模式）。同时，学习一种运行在RS-485之上的应用层协议，如Modbus，这是工业领域的必修课。
9. 小结（一句话记忆）
UART 是“两根线、异步、全双工”的串口协议，以“起始位+数据位+校验位+停止位”为帧格式，通信前需约定波特率、数据位、校验位、停止位等参数。
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