串口通讯协议学习
串口通讯（串行通信）是一个广义术语，泛指通过逐位传输数据的通信方式。
若设备标注“支持串口”，需明确具体是哪种硬件标准（如RS-485）以及配套的软件协议（如Modbus）。
在设备通信中，“串口”（串行通信接口）是一个统称，具体硬件协议和标准有多种，主要分为以下几类：
1. 串口硬件协议/标准
1. 常见的串口硬件协议/标准
(1) UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）
- 特点：
- 异步通信，无时钟线，依赖预定义的波特率。
- 使用TTL电平（3.3V/5V逻辑，0V为低电平）。
- 点对点通信（1对1），需连接TX（发送）和RX（接收）。
- 典型应用：
- 单片机与传感器、蓝牙/WiFi模块的通信（如STM32与HC-05蓝牙模块）。
- 调试接口（如USB转TTL串口线连接PC与嵌入式设备）。
(2) RS-232
- 特点：
- 负逻辑电平（±3V±15V，+3V+15V为逻辑"0"，-3V~-15V为逻辑"1"）。
- 点对点通信，传输距离较短（一般<15米）。
- 需DB9或DB25接口（如老式电脑的COM口）。
- 典型应用：
- 工业设备配置（如PLC编程口）、老式调制解调器。
(3) RS-485
- 特点：
- 差分信号（A/B两条线，抗干扰强）。
- 支持多点通信（1主多从，总线拓扑）。
- 长距离（可达1200米）、高速（最高10Mbps）。
- 典型应用：
- 工业自动化（如PLC网络）、楼宇自控（如Modbus RTU）。
(4) RS-422
- 特点：
- 类似RS-485，但仅支持点对多点（1发4收）。
- 差分信号，抗干扰强，距离远（约1200米）。
- 典型应用：
- 专业音频设备、工业控制（替代RS-232的长距离场景）。
(5) SPI（Serial Peripheral Interface）
- 特点：
- 同步通信（有时钟线SCLK），全双工。
- 需4线（SCLK, MOSI, MISO, SS）。
- 高速（可达数十MHz），短距离（板级通信）。
- 典型应用：
- Flash存储器、显示屏驱动（如OLED）、高速ADC/DAC。
(6) I²C（Inter-Integrated Circuit）
- 特点：
- 同步通信（时钟线SCL + 数据线SDA）。
- 支持多主多从，地址寻址。
- 速率较低（标准模式100kHz，高速模式400kHz）。
- 典型应用：
- 传感器（如温湿度传感器）、EEPROM存储。
2. 如何区分这些串口？
| 协议 | 通信方式 | 电平/信号 | 拓扑结构 | 典型接口 |
|---|---|---|---|---|
| UART | 异步 | TTL电平 | 点对点 | 杜邦线/TTL引脚 |
| RS-232 | 异步 | ±3~15V | 点对点 | DB9 |
| RS-485 | 异步 | 差分（A/B） | 多点总线 | 端子台/DB9 |
| RS-422 | 异步 | 差分（A/B） | 点对多点 | 端子台 |
| SPI | 同步 | TTL电平 | 主从 | 4线引脚 |
| I²C | 同步 | TTL电平 | 多主多从 | 2线引脚 |
3. 实际应用中的注意事项
- 电平兼容性：
- UART（TTL）不能直接接RS-232/RS-485，需电平转换芯片（如MAX232、MAX485）。
- RS-485设备需终端电阻（120Ω）匹配阻抗。
- 协议栈：
- 硬件层（如RS-485）仅定义电气特性，实际通信需结合上层协议（如Modbus、CAN等）。
- 调试工具：
- USB转TTL/UART（如CH340）、USB转RS-485（如FTDI模块）是常用调试工具。
4. 总结
- **“串口通信”**的硬件协议选择取决于：
- 距离（短距离用UART/TTL，长距离用RS-485）。
- 抗干扰（工业环境优先选差分信号RS-485/RS-422）。
- 设备数量（多点通信需RS-485或I²C）。
- 速度（高速选SPI，低速选I²C）。
若设备标注“支持串口”，需明确具体是哪种硬件标准（如RS-485）以及配套的软件协议（如Modbus）。
2. UART与RS485的关系
协作关系：
UART负责数据格式（如起始位、数据位、停止位），而RS485负责物理传输（如何将UART的位流变成差分信号）。
RS485必须依赖UART：
RS485本身无数据格式定义，需结合UART（或其他协议）才能完成完整通信。
常见组合：
MCU的UART → RS485转换芯片 → RS485总线
（例如：STM32的TX/RX接MAX485芯片，再连接到RS485网络）
工业场景中“串口”常指RS485（因抗干扰和多设备支持），但嵌入式开发中可能直接指UART（TTL电平）。
3. RS-485 和 RS-232 的关系
1. 相同点
- 都属于串行通信（数据逐位传输）。
- 通常基于UART（异步通信协议）进行数据传输。
- 可用于点对点通信（但RS-485支持多点，RS-232一般仅点对点）。
2. 核心区别
| 特性 | RS-232 | RS-485 |
|---|---|---|
| 电气标准 | 单端信号（±3~15V） | 差分信号（A/B线，电压差） |
| 通信距离 | 短（<15米） | 长（可达1200米） |
| 传输速率 | 较低（一般<115.2kbps） | 较高（最高10Mbps） |
| 抗干扰能力 | 弱（易受噪声影响） | 强（差分信号抑制共模噪声） |
| 拓扑结构 | 点对点 | 多点总线（1主多从） |
| 连接方式 | DB9（如电脑COM口） | 2线（A/B）或4线（全双工） |
3. 典型应用场景
- RS-232：
- 早期计算机串口（COM口）、工业设备配置（如PLC编程口）。
- 短距离、低速率、点对点通信（如调试接口）。
- RS-485：
- 工业自动化（Modbus RTU）、楼宇控制、安防系统。
- 长距离、多设备组网（如传感器网络）。
4. 转换关系
- RS-232转RS-485：
通过转换器（如MAX232 + MAX485芯片）实现，用于将老式RS-232设备接入RS-485网络。 - UART转RS-485：
单片机UART（TTL电平）通过MAX485芯片转换为RS-485信号。
上层通信协议
RS-485和RS-232仅定义物理层（如何传输比特流），实际通信需依赖上层协议（定义数据格式、地址、校验等）。常见协议包括：
1. 通用协议
- Modbus RTU（最常用）：
- 基于RS-485/RS-232的工业协议，采用主从架构。
- 数据帧格式：
设备地址 + 功能码 + 数据 + CRC校验。 - 功能码示例：
0x03（读寄存器）、0x06（写单个寄存器）。
- Modbus ASCII：
- 类似Modbus RTU，但数据以ASCII字符传输（效率低，易调试）。
- 自定义协议：
- 用户自行定义数据格式（如
帧头 + 长度 + 数据 + 校验）。
- 用户自行定义数据格式（如
2. 协议示例对比
| 协议 | 适用硬件 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | RS-485 | 简单、开源、广泛支持 | PLC、传感器 |
| Modbus ASCII | RS-232 | 可读性强、效率低 | 调试场景 |
关键总结
- RS-485 vs RS-232：
- RS-485适合长距离、多设备、抗干扰场景，RS-232适合短距离点对点。
- RS-485需终端电阻（120Ω），RS-232无需。
- 上层协议选择：
- 工业领域优先用Modbus RTU，需高速或多主站时选Profibus DP。
- 自定义协议需注意数据帧同步（如帧头/帧尾）和校验（CRC/LRC）。
- 调试工具：
- USB转RS-485适配器 + Modbus调试软件（如Modbus Poll）。
- 逻辑分析仪（抓取UART/RS-485原始数据）。