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UART串口

news 2025/7/22 10:26:23

通信可分为并行通信和串行通信

1. 并行通信

核心原理

同时使用多条物理线路传输数据的多个比特（通常8位、16位或32位）。
示例：
8位并行通信 = 8条数据线同时传输1字节（8比特）。

特点

特性	说明
传输速度	理论速度高（多条线路并发）
硬件复杂度	高（需多条数据线 + 控制线）
抗干扰能力	弱（信号同步要求高，长距离易失真）
成本	高（线缆/接口更复杂）
典型应用	短距离高速传输： • 内存总线（DDR） • 早期打印机（LPT接口） • FPGA片内通信

关键问题

时钟偏移 (Skew)：
长距离传输时，各线路信号延迟不同，导致数据无法同时到达。
电磁干扰 (EMI)：
多线并行产生交叉干扰，限制频率提升。

2. 串行通信

核心原理

通过单条线路逐比特顺序传输数据。
示例：
传输1字节（8比特）需连续发送8个时钟周期。

特点

特性	说明
传输速度	单线速度低，但可通过高频率补偿（现代串行协议远超并行）
硬件复杂度	低（仅需1-2条数据线 + 时钟/控制线）
抗干扰能力	强（差分信号技术可抗干扰，适合长距离）
成本	低（线缆/接口简化）
典型应用	长短距离通用： • USB/PCIe/SATA • 以太网 • UART（串口） • I²C/SPI

技术优势

差分信号 (LVDS)：
如USB、以太网使用D+/D-双线抵消共模噪声。
内嵌时钟：
如PCIe使用8b/10b编码将时钟信号融入数据流。
拓扑灵活：
支持点对点（SATA）、总线（I²C）、环状（Token Ring）等结构。

3. 核心区别总结

维度	并行通信	串行通信
数据线数量	多条（如8/16/32线）	1条（单端）或2条（差分）
传输方式	多比特同时传输	单比特顺序传输
速度瓶颈	时钟偏移和干扰限制高频	可提升频率至GHz级
传输距离	短（通常＜0.5米）	长（USB可达5米，以太网100米）
现代应用	逐渐被取代（除片内总线外）	主流（USB4/PCIe 5.0/Thunderbolt）

异步：UART/USART
同步：I²C, SPI, USB, PCIe, SATA, Ethernet，CAN

平常经常说的串口，其实是串行通信中的UART接口标准（协议）

同步通信和异步通信

同步通信 (Synchronous Communication)

核心原理

收发双方使用同一时钟信号（由主设备或独立时钟源提供），在时钟边沿（上升沿/下降沿）触发数据采样，实现精确同步。
关键特征：

必须有时钟线（如SCK、CLK）
数据以连续数据块传输（无需起止位）
时钟频率决定传输速率

典型协议

协议	时钟线	数据线	特点
SPI	SCK	MOSI, MISO	全双工，高速（可达100MHz+）
I²C	SCL	SDA（双向）	半双工，地址寻址，多主从
SDIO	CLK	CMD, DAT0-3	存储卡扩展协议
PCIe	RefClk	内嵌于数据流	高速差分串行，时钟恢复技术

优势

速度高：无冗余起止位，传输效率＞95%
实时性强：时钟严格同步，适合高速场景（如传感器实时采集）
错误率低：时钟边沿采样抗干扰强

缺点

需额外时钟线（增加布线复杂度）
通信距离受限（时钟信号长距离易失真）

异步通信 (Asynchronous Communication)

核心原理

无共享时钟，收发双方依赖预定义的波特率（Baud Rate） 和数据帧格式实现自同步。
关键特征：

无需时钟线
每字节数据添加起止位（Start/Stop Bits）
波特率偏差须＜2%

协议	电气标准	应用场景
UART	TTL/RS-232	单片机调试，模块通信
RS-485	差分信号	工业总线（Modbus）
USB 1.x	异步传输模式	早期USB设备

优势

布线简单：仅需1-2条数据线（如TX/RX）
距离灵活：RS-485可达千米级
容错性强：起始位重新同步机制

缺点

效率低：起止位占20-30%开销（如8N1格式效率80%）
速率限制：波特率通常＜10Mbps（高速需过采样）

串口UART几种电气协议

TTL是全双工

TTL (Transistor-Transistor Logic)

核心特征

电平范围：
- 逻辑 1 (High)：+3.3V 或 +5V（取决于供电电压）
- 逻辑 0 (Low)：0V (GND)
通信方式：全双工（需独立 TX/RX 线）
拓扑结构：点对点（1:1）
传输距离：短距离（通常 ≤ 0.5 米）

典型应用场景

单片机开发板（如 Arduino、STM32）的 UART 引脚
板级芯片间通信（如 MCU 连接传感器）
USB转TTL模块（如 CH340、CP2102）

优点与局限

优点	局限
简单易用，无需复杂转换	抗干扰能力弱（单端信号）
低功耗（直接匹配数字IC电平）	传输距离短
成本低（无需电平转换芯片）	不支持多设备共享总线

⚠️ 关键风险：TTL 与 RS-232 直接连接会烧毁芯片！（电压不兼容）

RS-232 (Recommended Standard 232)

核心特征

电平范围：
- 逻辑 1 (High)：-3V ~ -15V（负电压）
- 逻辑 0 (Low)：+3V ~ +15V（正电压）
通信方式：全双工（独立 TX/RX 线）
拓扑结构：点对点（1:1）
传输距离：中距离（≤ 15 米，波特率≤20kbps）

典型应用场景

老式计算机串口（DB9 接口）
工业设备配置口（如路由器、交换机 Console 口）
短距离工控设备通信

优点与局限

优点	局限
抗干扰强于 TTL（高电压摆幅）	速度低（通常 ≤ 115.2kbps）
支持较长距离传输	需专用电平转换芯片（如 MAX232）
广泛兼容旧设备	不支持多设备总线

常用于和PC机通信

RS-485 (Recommended Standard 485)

核心特征

电平范围：
- 逻辑 1：B-A > +200mV（差分正电压）
- 逻辑 0：B-A < -200mV（差分负电压）
通信方式：半双工（单对差分线）或 全双工（两对差分线）
拓扑结构：多点总线（1:N，最多 32 设备）
传输距离：长距离（≤ 1200 米，波特率≤100kbps）

典型应用场景

工业自动化总线（如 Modbus RTU）
楼宇安防系统（门禁、传感器网络）
远距离数据采集（电力监控、环境监测）

硬件特性

差分信号：
使用双绞线传输 A+/B- 信号，通过电压差抵消共模噪声。
终端电阻：
总线两端需接 120Ω 电阻匹配阻抗，防止信号反射。

优点与局限

优点	局限
超强抗干扰（工业EMC环境）	需手动控制收发使能（半双工）
支持多设备组网（总线拓扑）	协议需地址寻址（如 Modbus）
长距离传输（千米级）	布线需终端电阻

三者的核心对比表

特性	TTL	RS-232	RS-485
电平类型	单端数字电平	单端高压 (±3-15V)	差分电压 (A/B线)
逻辑表示	1=+3.3V/5V, 0=0V	1=-3~-15V, 0=+3~+15V	1=B-A>+200mV, 0=B-A<-200mV
传输距离	≤ 0.5m	≤ 15m	≤ 1200m
拓扑结构	点对点 (1:1)	点对点 (1:1)	多点总线 (1:N)
通信模式	全双工	全双工	半双工/全双工
抗干扰能力	弱	中	极强（差分抗噪）
最大速率	10Mbps+	115.2kbps	10Mbps（短距离）
典型转换芯片	无需	MAX232, SP3232	MAX485, SN65HVD72

4. 互联转换方案

(1) TTL ↔ RS-232

必备芯片：电平转换器（如 MAX232）
电路原理：
MAX232 内部集成电荷泵，将 TTL 的 0V/5V 转换为 RS-232 的 ±10V。

(2) TTL ↔ RS-485

必备芯片：RS-485 收发器（如 MAX485）
关键控制：
半双工模式下需 RE/DE 引脚控制收发方向（RE=接收使能, DE=发送使能）。

(3) RS-232 ↔ RS-485

转换器结构：
RS-232 → TTL → RS-485（两级转换）
工业方案：
专用隔离转换模块（如 ADM2483 带光耦隔离）。

5. 协议与电气标准的关系

UART 是协议层：定义数据帧格式（起止位、数据位、校验位）。
TTL/RS-232/RS-485 是物理层：定义如何用电压表示 UART 的 0 和 1。

✅ 重要结论：
同一 UART 数据可通过不同物理层传输（例如：MCU 的 TTL-UART → MAX485 → RS-485 总线）。

6. 选型指南

场景	推荐标准	理由
板级芯片间通信	TTL	简单直接，无需转换
设备调试口（短距离）	RS-232	兼容旧设备，抗干扰优于 TTL
工厂传感器网络（长距离多节点）	RS-485	抗干扰+多设备+远距离
高速数据传输（如视频流）	非三者（用LVDS/USB）	TTL/RS 速率不足