深入浅出：RS232、RS485、UART、Modbus与差分信号、共模信号的那些事儿
深入浅出：RS232、RS485、UART、Modbus与差分信号、共模信号的那些事儿
作为工业控制、物联网和嵌入式开发领域的新人，你可能会经常听到RS232、RS485、UART、Modbus这些术语，它们似乎都与串口通信有关，但具体区别和用途是什么？它们和CH340、DB9、差分信号、共模信号又有什么关系？别急，这篇博客将以通俗易懂的方式，从基础到进阶，带你彻底搞懂这些概念，以及它们在实际应用中的选择和使用场景。
一、从串口通信开始：什么是UART？
让我们从最基础的UART开始。UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter，通用异步收发器）是串口通信的核心技术，它是一种硬件通信协议，负责将计算机中的并行数据（比如CPU处理的数据）转换为串行数据（逐位传输），或者反过来将串行数据转换回并行数据。
UART的特点
- 异步通信：UART不需要时钟信号来同步数据传输，发送端和接收端通过预先约定的波特率（比如9600bps）保持一致。
- 简单结构：数据帧通常包括1个起始位、5-8个数据位、1个奇偶校验位（可选）和1-2个停止位。
- 点对点通信：UART通常用于两个设备之间的通信，比如微控制器（MCU）与传感器之间的数据交换。
UART的优缺点
- 优点：
- 简单，易于实现，成本低。
- 广泛应用于微控制器、传感器等设备。
- 缺点：
- 传输距离短（通常在几米以内）。
- 不适合多设备通信。
- 抗干扰能力较弱，容易受噪声影响。
UART的应用场景
- 微控制器与PC之间的调试通信（比如Arduino通过串口与电脑通信）。
- 蓝牙模块、GPS模块等设备的数据传输。
- 嵌入式系统中简单的点对点通信。
二、RS232：老牌串口通信标准
RS232（Recommended Standard 232）是一种基于UART的物理层标准，定义了串口通信的电气特性和信号传输方式。它是计算机串口（COM口）的典型代表，广泛应用于早期PC和设备的连接。
RS232的特点
- 单端信号：RS232使用单端信号传输，信号以相对于地（GND）的电压表示。例如，逻辑“1”对应-3V到-15V，逻辑“0”对应+3V到+15V。
- 全双工：RS232支持同时发送和接收数据，使用两根独立的线（TXD发送，RXD接收）加上地线（GND）。
- 连接器：通常使用DB9或DB25连接器，其中DB9（9针D型接口）更常见。DB9的典型引脚包括：
- 2号引脚：RXD（接收）
- 3号引脚：TXD（发送）
- 5号引脚：GND（地）
- 传输距离和速率：最大传输距离约15米，速率通常在300bps到115.2kbps，部分设备可达921.6kbps。
RS232的优缺点
- 优点：
- 简单，易于实现，PC普遍支持。
- 适合短距离、低速通信。
- 缺点：
- 传输距离短，抗干扰能力差（因为是单端信号，易受共模干扰）。
- 仅支持点对点通信（1对1）。
- 高电压信号（±12V）功耗较高，不适合低功耗设备。
RS232的应用场景
- 老式PC与调制解调器（Modem）的连接。
- 工业控制设备、PLC（可编程逻辑控制器）的短距离通信。
- 低速串口设备的调试和数据传输。
三、RS485：工业级的多点通信利器
RS485（也称EIA-485/TIA-485）是另一种基于UART的物理层标准，专为工业环境设计，解决了RS232距离短、抗干扰差的问题。它是工业自动化中非常常见的通信标准。
RS485的特点
- 差分信号：RS485使用差分信号传输，通过两根信号线（A线和B线）的电压差来表示数据。例如，A>B表示逻辑“1”，A<B表示逻辑“0”。这种方式抗干扰能力强。
- 半双工：RS485通常采用半双工通信，同一对线既用于发送也用于接收，数据不能同时双向传输。
- 多点通信：支持多设备连接，最多可连接32个设备（1个主设备+31个从设备），通过地址区分设备。
- 传输距离和速率：最大传输距离约1200米（波特率为9600bps时），最高速率可达10Mbps（短距离）。
- 连接器：常用DB9、RJ45或端子排，具体引脚定义因设备而异。
RS485的优缺点
- 优点：
- 传输距离长（最远可达1200米）。
- 抗干扰能力强，适合嘈杂的工业环境。
- 支持多设备联网，便于构建复杂网络。
- 缺点：
- 半双工通信效率低于全双工。
- 需要额外的协议（如Modbus）来管理多设备通信。
- 布线和终端电阻配置稍复杂。
RS485的应用场景
- 工业自动化（如PLC、传感器网络）。
- 楼宇自动化（如灯光控制、门禁系统）。
- 长距离数据采集（如环境监测、电力系统）。
四、共模信号与差分信号：RS232和RS485的本质区别
要理解RS232和RS485的差异，离不开共模信号和差分信号的概念。
什么是共模信号？
- 定义：共模信号是指在两根信号线（或信号线与地）上同时出现的相同电压噪声。例如，工业环境中电机运行可能在信号线上引入相同的干扰电压。
- 影响：在单端信号（如RS232）中，共模信号会直接干扰数据，导致误码。RS232因为以地为参考，抗共模干扰能力差。
什么是差分信号？
- 定义：差分信号通过两根信号线（A和B）的电压差来传输数据。干扰会同时影响A和B线，但电压差保持不变，因此可以有效抵消共模干扰。
- 优势：RS485采用差分信号，A线和B线的电压差通常在±1.5V到±6V之间，抗干扰能力远超RS232。
RS232与RS485的信号方式对比
- RS232：单端信号，易受共模干扰，适合短距离、低噪声环境。
- RS485：差分信号，抗共模干扰强，适合长距离、嘈杂环境。
五、Modbus：RS485上的常用协议
RS485和RS232只是物理层标准，定义了“怎么传数据”，但数据的内容和格式需要更高层的协议来管理。Modbus是工业领域最常用的通信协议之一，运行在RS232或RS485之上。
Modbus的两种常见形式
- Modbus RTU：
- 使用二进制编码，效率高，错误检查采用CRC（循环冗余校验）。
- 常用于RS485网络，也支持RS232。
- 适合工业控制，数据传输紧凑。
- Modbus TCP：
- 基于以太网的协议，使用TCP/IP传输。
- 不依赖RS485或RS232，适合现代网络环境。
- 无CRC校验，依靠TCP/IP层进行错误检测。
Modbus的工作模式
- 主从模式：一个主设备（Master）发起请求，多个从设备（Slave）响应。每个从设备有唯一地址（1-247）。
- 广播模式：主设备发送广播消息（地址0），所有从设备接收但不响应，常用于同步或配置。
如何选择从设备？
在RS485的Modbus网络中，主设备通过从设备地址选择目标从设备：
- 配置从设备地址：每个从设备需预先设置唯一地址（1-247），通常通过设备上的拨码开关或软件配置。
- 主设备发送请求：主设备在消息中包含目标从设备的地址，只有匹配地址的从设备会响应。
- 广播模式：如果需要同时控制所有从设备，主设备发送地址0的消息，所有从设备都会执行但不返回响应。
Modbus的应用场景
- 工业自动化（PLC、HMI与传感器通信）。
- 楼宇管理（空调、照明控制）。
- 能源监控（电表、水表数据采集）。
六、CH340：串口通信的“桥梁”
CH340是一种常见的USB转串口芯片，常用于将PC的USB接口转换为RS232或RS485接口。
CH340的作用
- USB转串口：将PC的USB信号转换为TTL、RS232或RS485信号，方便PC与微控制器或工业设备通信。
- 支持多协议：CH340支持UART通信，兼容RS232的信号电平，也可通过外部电路支持RS485。
- 驱动程序：需要安装CH340驱动（常见于Windows、Linux等系统）。
CH340与RS232/RS485的关系
- RS232：CH340直接输出RS232电平信号，连接DB9接口即可与RS232设备通信。
- RS485：CH340输出TTL信号，需配合RS485转换模块（如MAX485芯片）实现差分信号传输。
CH340的应用场景
- Arduino、ESP32等开发板的USB串口通信。
- PC与工业设备（如PLC、传感器）的连接。
- 调试和开发嵌入式系统。
七、DB9：串口通信的“标准脸”
DB9（D-sub 9针接口）是RS232和RS485常用的物理连接器，外形为D型，包含9个引脚。
DB9在RS232中的引脚定义
- 2：RXD（接收数据）
- 3：TXD（发送数据）
- 5：GND（地）
- 其他引脚（如RTS、CTS）用于流控制，但简单应用通常只用RXD、TXD、GND。
DB9在RS485中的引脚定义
- 通常使用2个引脚（A和B）表示差分信号，具体引脚由设备定义。
- 可能包含GND或电源引脚。
DB9的注意事项
- RS232和RS485的DB9引脚定义不同，连接前需查看设备文档。
- RS485网络中，需在总线两端加120欧姆终端电阻，防止信号反射。
八、如何选择RS232、RS485和Modbus？
1. 选择RS232还是RS485？
- RS232：
- 适合短距离（<15米）、点对点、低速通信。
- 设备简单、成本低，但抗干扰能力差。
- 示例：PC与单个传感器或调制解调器的连接。
- RS485：
- 适合长距离（<1200米）、多设备、高噪声环境。
- 支持多点通信，适合复杂网络。
- 示例：工业自动化、楼宇控制系统。
2. 选择Modbus RTU还是Modbus TCP？
- Modbus RTU：
- 适合串口网络（RS485/RS232），数据紧凑，适合资源受限的设备。
- 示例：PLC与传感器的数据采集。
- Modbus TCP：
- 适合以太网环境，易于与现代网络集成，速度快但需要网络基础设施。
- 示例：远程监控、云平台数据传输。
3. 实际应用中的选择建议
- 小型项目：用RS232+CH340，简单便宜，适合调试。
- 工业场景：用RS485+Modbus RTU，支持多设备和长距离通信。
- 现代物联网：用Modbus TCP，结合以太网实现远程控制。
九、总结：从新手到入门
- UART是串口通信的核心，负责数据转换，RS232和RS485是基于UART的物理层标准。
- RS232适合短距离点对点通信，抗干扰能力弱，使用单端信号。
- RS485适合长距离多点通信，抗干扰能力强，使用差分信号。
- 差分信号通过电压差传输数据，抵消共模干扰；共模信号是影响单端信号的噪声。
- Modbus是运行在RS232/RS485上的协议，支持主从通信，RTU用于串口，TCP用于以太网。
- CH340是USB转串口芯片，方便PC与串口设备连接。
- DB9是常见的串口连接器，RS232和RS485的引脚定义不同。
- 选择从设备：通过Modbus地址（1-247）或广播模式（地址0）实现。
希望这篇博客能让你对RS232、RS485、UART和Modbus有一个清晰的认识！如果有疑问，欢迎留言讨论！
(完)