串口通信简介

一、串行与并行通信介绍

1. 传输方式的区别

• 并行通信：利用多条数据线同时传输多位数据，如示例中6根线可同时传输6位数据。
• 串行通信：通过单条数据线逐位顺序传输数据

2. 应用场景

• 并行：早期打印机并口、部分显示屏接口，适用于短距离高速传输
• 串行：现代主流通信方式，线路简单成本低，适合远距离通信

3. 典型特征

• 并行：传输速度快但线路复杂，如早期25针打印机接口
• 串行：USB转串口线等单线传输设备，通信速率相对较低

二、 串口介绍

1. 基本定义

• 全称：串行接口(Serial Interface)，又称COM接口
• 本质：实现数据顺序传输的通信接口，仅需2线（发送+接收）即可双向通信

2. 标准沿革

• RS-232C：1970年由EIA联合制定的串行通信标准
• 接口演变：从22线→25芯DB25→9芯DB9（现代主流）

3. 物理接口

• 类型：分公头（针）和母头（孔）两种形式
• 常见形态：DB9接口、USB转串口设备（含CH340等转换芯片）

4. 核心引脚

• 2号RXD：接收数据线（Received Data）
• 3号TXD：发送数据线（Transmitted Data）
• 5号GND：信号地线（Signal Ground）

5. 其他功能引脚

DCD（1号）：数据载波检测

DTR（4号）：数据终端就绪

RTS/CTS（7/8号）：硬件流控信号

6. 实际应用：

现代计算机多通过USB转串口实现，原生COM接口已逐步淘汰

典型转换芯片：国产CH340等

7. 接线要点：

• 基本通信只需连接RXD、TXD、GND三线
• 注意交叉连接：A设备TXD接B设备RXD

知识点	核心内容
串行通信与并行通信的区别	并行通信：多根数据线同时传输多位数据，速度快；串行通信：单根数据线逐位传输，成本低、线路简单
串口（串行接口）的定义与特点	全称“串行接口”（COM接口），采用RS-232标准，通过两根线（RXD接收、TXD发送）实现双向通信
串口硬件形态	常见类型：DB9串口线、USB转串口（CH340芯片）、网口转串口（本质相同）
串口通信的应用场景	开发者调试（板子信息打印、程序下载）、数据通信；普通用户场景已淘汰（计算机取消原生串口）
串行通信的优势	线路简单、成本低、适合远距离通信；并行通信逐渐被替代（除部分高速场景如屏幕数据传输）

三、串口通信电平标准

串口通信与并行通信

• 通信基础：设备间通信通过电压信号传输数据，而非直接传输0和1。
• 信号表示：双方需约定电压标准，明确何种电压代表0或1。
• 通信介质：数据传输依赖物理连接线，信号在线上以电压形式存在。
• 数据本质：通信内容本质为二进制数据（0和1的组合）。

所谓的电平标准，指的是在通信的过程中如何表示0和1的问题。即在通信过程中用什么样的电压表示1，用什么样的电压表示0。由于行业需求不同，在发展的过程中出现了很多串口通信电平标准。

• 电平标准定义：通讯中表示0和1的电压规范
• 标准必要性：通信双方必须采用相同电平标准
• 常见标准类型：TTL标准、RS-232标准
• 电压表示原理：不同标准定义不同的电压范围表示逻辑0和1
• 应用要点：工程中第一步需确认通信电平标准
• 兼容性原则：不同电平标准的设备无法直接通信

1. TTL标准

• TTL全称：晶体管晶体逻辑（Transistor-Transistor Logic）
• 工作模式：全双工通信标准
• 电平定义：+5V=逻辑1，0V=逻辑0
• 输出电平范围：高电平≥2.4V，低电平≤0.4V
• 输入电平范围：高电平>2V，低电平<0.8V
• 简化记忆：5V≈逻辑1，0V=逻辑0
• 应用领域：计算机处理器内部通信标准

2. Rs232标准

• RS232定义: 美国电子协会制定的串行物理结构标准，推荐标准缩写为RS，232为标识符号。
• 电气特性: 规定数据传输通路的电气和物理特性，不涉及数据处理方式。
• 电压表示: 负逻辑，−15V至−3V表示逻辑1，+3V至+15V表示逻辑0。
• 全双工模式: 支持双向同时通信的工作模式。
• 电平转换: 需通过转换芯片将TTL/CMOS电平转为RS232电平，避免直接连接烧毁电路。
• 传输距离: 因较高电压范围，RS232比TTL传输距离更远。
• 应用注意: 通信双方必须采用相同电平标准，否则可能损坏设备。

3.Rs485标准

（1）电平定义：

• RS485起源:1983年美国电子协会批准的平衡传输标准
• 标准前缀演变:最初用"RS"前缀，后改为"EIA/TIA"前缀
• 现行标准命名:正式名称为TIA-485，但工程师习惯称RS485
• 通信标准类型:属于串行通信的接口标准
• 技术特性:采用平衡传输方式

（2）差分信号传输

• 差分信号传输定义：通过AB两根线的电压差表示信号（0或1）。
• 抗干扰原理：干扰对两根线影响相同，电压差保持不变。
• 信号判定标准：电压差+2V至+6V为1，−6V至−2V为0。

• 与传统传输区别：单线传输（如TTL/RS-232）vs 双线传输（RS-485）。
• 差分传输优势：有效抵御外界干扰，嵌入式设备常用。

（3）差分传输特点

• 差分传输定义:使用两根线进行信号传输的技术
• 抗干扰原理:两根线同时受干扰时电压差值保持不变
• 干扰类型:温度变化、湿度变化、磁场干扰、电压突变
• 比较优势:比TDR标准和RS-232标准具有更好的抗干扰性
• 信号稳定性:依靠两线间电压差值而非绝对电压值传输信号

（4）半双工工作模式

• 半双工定义：同一时刻只能单向传输数据（要么发要么收）
• 485总线特性：两根线传输一位数据（通过压差传0/1）
• 全双工对比：RS232/TTL使用独立收发线实现同时传输
• 硬件实现：需使用485电平转换芯片进行信号转换
• 通信限制：主从设备间收发不能同时进行

（5）Rs485电平转换芯片

• RS485电平转换需求：CPU输出信号为TTL/CMOS电平，需转换为RS485电平。
• RS485信号特点：专为远距离数据传输设计，传输距离较远。
• 电平转换原因：TTL/CMOS电平不适用于RS485通信标准。

（6）应用场景

• 传感器应用场景：水库水压和温度监测
• 通信方式：RS-485远距离传输
• 部署方式：传感器直接沉入数百米水深
• 拓扑结构：RS-485支持一对多连接（对比RS-232仅支持一对一）
• 工作模式：RS-485采用半双工通信方式

（7）一对多

• 485传输特点:支持一对多通信，单发多收
• 设备连接数量:最多可连接128个设备
• 对比其他标准:RS232和TDR仅支持一对一通信
• 传输方式:采用压差方式进行信号传输
• 信号表示:通过电压范围表示0和1
• 工作模式:半双工通信方式
• 应用场景:在工程项目中广泛使用

4. Rs422标准

（1）标准

• 差分传输原理：与RS485电路原理基本相同，采用差分方式发送和接收，不需要数字地线
• 传输优势：差分模式使同速率条件下传输距离比RS232更远
• 工作模式：通过两对双绞线实现全双工工作，收发互不影响
• 节点限制：不允许出现多个发送端，但允许多个接收端
• 信号线配置：包含四条信号线（T/R+、T/R-）和一条GND线

（2）接线方式

• 线对配置：采用一对发送线（T+、T-）和一对接收线（R+、R-）
• 电压转换：需要电平转换芯片将TTL/CMOS电平转换为RS422电平

• 与RS485区别：
  • RS422多一组线实现全双工
  • RS485因只有一对线只能半双工工作
• 典型标识：信号线通常标记为T+、T-（发送）和R+、R-（接收）

知识点	核心内容
RS-485标准	采用差分方式发送和接收，无需单独地线；半双工模式（一对双绞线），传输距离更远
RS-422标准	与RS-485电路基本相同（差分传输），但通过两对双绞线实现全双工；允许收发同时进行
RS-232标准	通过单端信号传输；不允许多个发送端（仅支持一发多收）
硬件设计要点	需使用电平转换芯片（TTL/CMOS转RS-422电平）；信号线标识：T+/T-（发送）、R+/R-（接收）、GND
对比分析	RS-485：成本低、半双工；RS-422：全双工、抗干扰更强；RS-232：短距离、单端传输

四、对比

比较项	TTL	RS232	RS422	RS485
信号类型	电平信号	电平信号，负逻辑	差分信号	差分信号
电压范围	0 - 3.3V/5.0V	+/-15V	-2V ~ +6V	-2V ~ +6V
抗干扰性	弱	较强	强	强
传输距离	1m	10m	1.2Km	1.2Km
传输带宽	100Kb/s	100Kb/s	10Mb/s	10Mb/s
传输模式	全双工，点对点	全双工，点对点	全双工，点对点	半双工，一对多
导线根数	3	3	4	2