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串口通信介绍

news 2025/9/22 13:21:06

参考

【Iot】什么是串口？什么是串口通信？串口通信(串口通讯)原理，常见的串口通信方式有哪些？
简单实现串口通信
UART串口通信

一、定义

串口通信是一种数据通信方式，它通过一根信号线将数据一个比特一个比特地、按顺序依次进行传输。

串口是串行接口的简称，也称串行通信接口或串行通讯接口，通常指COM接口
串口是可以将接收来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接收的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。即
- CPU ---- 并行数据 ----> 串口 ---- 转化为串行数据流 ----> 发送
- ---- 接受串行数据 ----> 串口 ---- 转化为并行数据 ----> CPU
- 这种功能由串行接口电路来完成

二、工作原理

要实现成功的串口通信，通信双方必须事先约定好一些规则，这通常通过UART来实现。

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器），是一块硬件芯片或单片机上的一个模块，负责完成串行通信中最核心的工作：

在发送端，UART将来自CPU的并行数据（例如一个8位的字节）转换成串行数据流，并通过TX线一位一位地发送出去
在接收端，UART监听RX线，将接收到的串行数据流重新组装成并行数据，供CPU读取

通信参数

UART是一个异步串行通信协议，而要实现异步通信，通信双方必须严格约定以下参数

波特率：即数据传输的速度，单位是bps
- 常见的值有：9600, 19200, 38400, 115200等
- 通信双方的波特率必须一致！如果一方用9600发送，另一方用115200接收，收到的将是乱码
数据位：指一个数据帧中实际数据位的数量
- 可以是5, 6, 7, 8位
- 最常用的是8位，正好对应一个字节
停止位：在每个数据包末尾发送的信号，用于表示该数据包传输结束
- 可以是1位、1.5位或2位，最常用的是1位
奇偶校验位：一种简单的错误检查机制
- 该位是可选的，可以是无、奇校验或偶校验
- 通过计算数据位中“1”的个数，来确保数据在传输过程中没有出现单比特错误
- 但无法检测多比特错误，因此现在很多应用中为了简单都设为“无
流控制：也称为“握手”，用于控制数据传输的节奏，防止数据丢失
- 当接收方处理不过来时，可以通过特定的信号线（如RTS/CTS）告诉发送方“暂停发送”
- 在简单应用中经常被省略

三、串行通信协议

串行按照数据同步的方式，可以分为异步串行通信和同步串行通信。

3.1 异步串行通信

异步串行通信

特点：没有统一的时钟线。发送和接收设备使用各自独立的时钟，并依靠事先约定好的波特率来保持同步。每个数据字节都被包装在包含起始位和停止位的帧中。
优点：硬件简单，只需要少量信号线（最少2根：TXD和RXD）。
缺点：额外的起始/停止位开销降低了效率；时钟可能轻微不同步，限制了波特率和数据长度的上限。
常见协议：
- UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)：这是最基础、最常见的异步串行协议。我们常说的“串口”通常就是指UART。
- RS-232：是UART的物理层电气标准（定义电压、接口等）。老式电脑的COM口就是RS-232。
- RS-422 & RS-485：是更先进、抗干扰能力更强、支持远距离和多点通信的异步串行标准，常用于工业环境。

UART

UART 是所有串行通信的“大脑”，它工作在集成电路的内部层面

一块硬件芯片或微控制器中的一个集成模块。它的核心功能是进行并行与串行数据的转换
采用异步通信，发送和接收方依靠预先约定好的波特率（Baud Rate）来同步
数据被组织成帧（Frame）依次发送
- 一个标准的UART数据帧结构如下
  - 空闲状态: 数据线处于高电平（逻辑1）状态
  - 起始位（Start Bit）: 一个位的低电平（逻辑0）。这是一个同步信号，告诉接收方：“注意，数据要来了。”
  - 数据位（Data Bits）: 紧接着起始位之后，是要传输的实际数据，通常是5-9位（最常用的是8位，一个字节）。低位（LSB）先行，即最先发送最低有效位。
  - 奇偶校验位（Parity Bit）：可选。用于极简单的错误检测，可以是奇校验、偶校验或无。
  - 停止位（Stop Bits）: 1位、1.5位或2位的高电平（逻辑1）。用于标志数据包的结束。接收方靠识别这个从低到高的跳变来确认帧结束。
电气特性（物理层 - 板级）：使用 TTL/CMOS 电平
- 逻辑 1: 高电平（通常是 +3.3V 或 +5V）
- 逻辑 0: 低电平（0V）
- 特点：信号电压低、传输距离极短（通常不超过几十厘米）、抗干扰能力弱，主要用于电路板内部或板与板之间的短距离通信。
关键引脚：
- TXD (Transmit Data): 数据发送引脚
- RXD (Receive Data): 数据接收引脚
- GND (Ground): 共同参考地，必不可少，它为双方提供了相同的电压基准

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RS232

UART 的“肌肉和骨骼”，它负责将信号传输到更远的地方

一个定义串行通信物理接口的古老标准。它规定了电压、阻抗、连接器、针脚定义等
核心是解决 UART 的 TTL 电平传输距离短的问题。它采用了更高的电压和负逻辑
电气标准
- 逻辑 1: -3V 至 -15V 的电压（称为 Mark）
- 逻辑 0: +3V 至 +15V 的电压（称为 Space）
- 特点：高电压和负逻辑的设计使其抗共模干扰的能力大大增强，传输距离更远（理论上可达15米，在降低波特率时甚至可以更远），适合在相对复杂的工业环境中使用。
物理接口
- 最常见的接口是 DB9 连接器（9针），也有DB25（25针）

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UART和RS232、RS422等的区别

UART 是一种异步串行通信的协议和硬件接口，核心是协议和实现该协议的硬件控制器（通常集成在单片机或CPU中）
- 一种硬件芯片或模块，负责处理异步串行通信的底层细节
- 主要进行的工作是并行转串行（发送）和串行转并行（接收）
- 其信号特性一般使用设备自身的TTL/CMOS电平
  - 逻辑1：高电平（通常是+3.3V或+5V）；逻辑0：低电平（0V）
  - 这种信号非常脆弱，抗干扰能力差，传输距离很短（通常不超过几十厘米），只能在电路板内部或板间短距离通信
- 主要定义了数据帧格式（起始位、数据位、校验位、停止位）和通信时序（依靠双方约定的波特率来同步）
RS232 是一种标准的串行通信接口，核心是物理层的电气标准。
- 解决UART的TTL电平信号传输距离短、抗干扰能力弱的问题，将UART产生的TTL电平信号转换成能在更长距离（可达15米）、更复杂环境中稳定传输的信号
- 其信号特性为使用负逻辑和更高的电压
  - 逻辑1：-3V to -15V (称为Mark)
  - 逻辑0：+3V to +15V (称为Space)
  - 这种高电压、负逻辑的设计使其抗共模干扰的能力大大增强，适合工业环境
- 主要定义了电压、阻抗、连接器、针脚定义等物理特性，如电气特性（信号的电压标准）、机械特性（通常使用DB9或DB25连接器）、功能特性（定义了每个针脚的功能，如TXD、RXD、RTS、CTS、DSR、DTR等（流控制信号））

协同工作

发送路径（电脑 -> 外部设备）
- CPU准备好要发送的数据。
- 主板上的UART控制器将数据打包成帧，以TTL电平从芯片引脚输出（TXD为+5V/0V）。
- 电脑内部的RS-232驱动芯片（如MAX232）捕获到这个TTL信号，并将其转换为RS-232电平（例如，0V变成+12V，+5V变成-12V）。
- 转换后的信号通过DB9连接器和串口线发送出去
接收路径（外部设备 -> 电脑）
- RS-232线上的电平（例如-12V）通过DB9连接器进入电脑。
- RS-232驱动芯片将其转换回TTL电平（例如，-12V变成+5V，+12V变成0V）。
- 这个TTL电平信号被送入UART控制器。
- UART控制器解析比特流，去除帧信息，将得到的字节数据送给CPU。

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3.2 同步串行通信

同步串行通信

特点：有时钟信号线（SCLK/CLK）。发送方在发送数据的同时，会提供一条专门的时钟信号线，接收方根据这个时钟信号来精确采样数据位。数据是连续传输的，没有起始/停止位。
优点：效率高，速度更快，没有时钟不同步问题。
缺点：需要更多的线（至少增加一条时钟线），主从设备之间的时钟布线要求更高。
常见协议：I²C, SPI, CAN 等（下面会详细介绍）都属于同步通信。

I²C

全称为Inter-Integrated Circuit，是一种同步串行通信方式，通常用于同一块电路板上芯片之间的短距离通信

需要两条线：SDA（数据线）和 SCL（时钟线）
多主多从，地址寻址。
速度标准包括（100kbps）、快速（400kbps）、高速（3.4Mbps）等。
主要应用：连接传感器（温度、加速度）、EEPROM存储器、RTC时钟、IO扩展芯片等

SPI

全称为Serial Peripheral Interface，同样用于同一块电路板上芯片之间的短距离通信

四条线：MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、SCK（时钟）、SS/CS（片选）
全双工，高速（可达50Mbps+），硬件简单但占用IO多
主要应用：连接Flash存储器、SD卡、显示屏、ADC/DAC转换器、RFID模块等需要高速传输的设备

CAN

全称为Controller Area Network，主要用于设备之间、板卡之间或长距离的通信

使用双线差分信号，抗干扰能力极强
多主架构，具有无损仲裁和错误检测机制，可靠性极高
主要应用：汽车电子（绝对主流）、工业自动化、医疗设备

四、物理接口

串口通信是一种依赖信号线的通信方式

简单双向串口通信有两根通信线，发射端TXD和接收端RXD
通信双方的发射端和接收端要交叉连接，实现TXD连接RXD
当只需单向的数据传输时，可以直接一根通信线
当通信双方的电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

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其中GND为Ground，即地线。

常见的物理接口有DB9、DB25、RJ45、USB、端子排等

DB9

全称为D-Subminiature 9 pin，是最经典、最广为人知的串口接口，通常是RS-232标准的物理化身

特点：D型金属外壳，9针（公头）或9孔（母头）
常见用途
- 老式电脑的COM口（通常是公头）
- 网络设备（如路由器、交换机）的Console控制台端口（通常是母头）
- 各种工业控制和测量设备
针脚定义
- Pin 2: RXD (接收数据)
- Pin 3: TXD (发送数据)
- Pin 5: GND (信号地)
- 其他针脚用于流控制（如RTS, CTS, DTR, DSR），在简单应用中常被忽略

DB25

全称为D-Subminiature 25 pin，属于是DB9的“老大哥”，但现在较少见。

特点：更大的D型接口，有25个针脚
常见用途：早期电脑的串行端口，也曾经用于并行打印机端口。其串口功能与DB9相同，只是提供了更多未使用的针脚和更完整的流控制信号

RJ45

全称为Registered Jack 45，就是常见的网线接口。现在，这已经成为网络设备控制台端口的事实标准。

特点：塑料水晶头接口，小巧便宜
常见用途：
- 几乎所有现代路由器、交换机、防火墙等网络设备的Console口
- 需要配合Rollover Console线（又称配置线）使用，线序是反的
优势：相比DB9，RJ45接口更小、更便宜、更普及

不能直接插到网络插座上，因为这只是借用了RJ45的物理外形，信号仍然是串行信号，不是以太网信号

USB

全称为Universal Serial Bus，现代电脑连接串口设备的绝对主流方式

特点：现代电脑的标配接口
常见用途：
- 数据传输与存储：最基础、最原始的功能，用于在不同设备间快速交换数据
- 人机交互设备：连接计算机与输入输出设备的主流接口
- 音视频传输：能够传输高质量的音频和视频信号
- 网络与通信：可以扩展计算机的网络功能
- 设备供电与充电：提供了一个标准化的直流电源，极大地简化了电子设备的充电方式
- 开发与调试：连接和调试其他设备的生命线
  - 嵌入式开发，通过USB转串口（如FTDI、CH340芯片）工具连接和调试单片机（如Arduino、STM32）、路由器等
  - 设备调试：安卓手机的ADB调试、iOS系统调试等

通过USB转串口线（或转换器）可以连接嵌入式设备