嵌入式笔记系列——UART：TTL-UART、RS-232、RS-422、RS-485

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。

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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：TX 和 RX 是独立的，可同时收发数据。
• 无需时钟线：属于异步通信，通信双方需预先约定好波特率。

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2. 数据帧格式（Frame Structure）

字段	位数	电平	说明
起始位	1 bit	逻辑 0	表示数据帧开始
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    |

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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）。

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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	每帧数据位数（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）

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5. 工作流程（以 8N1 为例）

1. 空闲状态：线路保持高电平（逻辑 1）。
2. 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。
3. 数据位：按低位到高位顺序发送 8 位数据。
4. 校验位（可选）：发送端计算奇偶校验位并附加。
5. 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。

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6. 优缺点

优点	缺点
硬件简单，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）

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7. 实际应用示例

• MCU ↔ PC：通过 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，传输的格式数据如下图所示：

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8.TTL-UART、RS-232、RS-422、RS-485介绍

①核心：UART - 通信的“协议”

首先要明白最重要的一点：UART是核心协议，而RS-232、RS-422、RS-485是物理层的电气标准。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，而是各自使用自己的时钟，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数据给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。你通过配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。

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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-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）

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③RS-232 - 老而弥坚的“标准串口”

为了解决TTL电平距离短、抗干扰差的问题，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
• 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。现在的新电脑基本没有这个接口了。
• 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

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④RS-422 - 走向“平衡传输”

RS-232虽然解决了距离问题，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

  

• 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

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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）。
  • 所有设备都可以作为发送器，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。
  • 需要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、安防系统（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

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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），但可以有多个接收器（Receiver）。这是一个单主（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（通常最多32个），每个设备都可以作为发送器或接收器。这是一个多主或多从的系统。

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 • 一主设备广播数据，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、安防系统 • 任何需要组网的场合

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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。如果要双向通信，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。
  • 这个“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 为了实现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线制简单布线的优势。

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。发送完成后，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时。这是工业环境中的绝对主流。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”。

RS-485在RS-422的基础上，通过允许“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，这也是它在工业领域远比RS-422更常见的原因。

⑦学习与实践建议

1. 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。
2. 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（如果有的话）。
3. 深入了解RS-485：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将是你的首选。学习如何使用MAX485这类收发器芯片，并了解其使能引脚（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。