UART、RS232、RS485、I2C 的区别及工程应用场景

UART与RS232/RS485

1. TTL

TTL 的全称是 Transistor-Transistor Logic（晶体管-晶体管逻辑），是一种基于双极型晶体管的数字电路电平标准，广泛用于芯片内部或短距离设备间的通信。

1.1 TTL 与 RS232 的核心区别

维度	TTL	RS232
电平范围	逻辑 1：2.0V~5.0V（典型 3.3V/5V）； 逻辑 0：0V~0.8V	逻辑 1：-3V~-15V（典型 -12V）； 逻辑 0：+3V~+15V（典型 +12V）
逻辑方式	正逻辑：高电压（接近电源）表示“1”，低电压（接近地）表示“0”	负逻辑：负电压表示“1”，正电压表示“0”
传输距离	短距离（通常＜1 米），抗干扰能力弱	中距离（最远 15 米），抗干扰能力强（宽幅电平提升容限）
接口形式	无标准化接口（常用排针、杜邦线），多用于芯片间内部通信	标准化接口（DB9/DB25 连接器），多用于设备间外部通信（如电脑与外设）
应用场景	嵌入式设备内部（如 MCU 与传感器、模块通信）	工业设备、电脑外设（如打印机、调制解调器）的远距离通信
电平转换	需通过 MAX232 等芯片转换为 RS232 电平才能与 PC 串口通信	直接兼容老式 PC 串口，无需转换（但需注意电平极性）

1.2 负逻辑电平和 TTL 电平的定义标准

1.2.1 负逻辑电平（以 RS232 为例）

• 定义：用负电压表示逻辑“1”，正电压表示逻辑“0”（与人类直觉相反，故称“负逻辑”）。
• 标准范围：
  • 逻辑 1（高电平）：-3V ~ -15V（典型值 -12V）；
  • 逻辑 0（低电平）：+3V ~ +15V（典型值 +12V）。
• 设计目的：通过宽幅电压提升抗干扰能力，适合中距离传输（如工业设备间通信）。

1.2.2 TTL 电平（正逻辑）

• 定义：用高电压表示逻辑“1”，低电压表示逻辑“0”（符合人类直觉，故称“正逻辑”）。
• 标准范围：
  • 逻辑 1（高电平）：2.0V ~ 5.0V（取决于系统电压，典型 3.3V 或 5V）；
  • 逻辑 0（低电平）：0V ~ 0.8V。
• 设计目的：电路简单、功耗低，适合芯片间短距离通信（如单片机与传感器）。

2. 总结

TTL 是芯片级短距离通信的正逻辑电平标准，而 RS232 是设备级中距离通信的负逻辑电平标准。两者的核心差异在于电平范围、逻辑极性和传输距离，工程中需通过电平转换芯片（如 MAX232）实现兼容。

2. RS232(串行异步通信接口)

串行异步通信接口，无时钟信号

2.1 RS232 解决了 UART 的哪些问题？

从 UART“电气接口不统一”“抗干扰能力差”“通信距离极短”的痛点出发，RS232 的改进如下：

UART 痛点	RS232 的解决方案
电气接口不统一	1. 定义标准电气特性：逻辑 1 对应 -3~-15V，逻辑 0 对应 +3~+15V（通常为 ±12V）； 2. 规范硬件接口：使用 DB9/DB25 连接器（常用 3 线：TXD、RXD、GND）。
抗干扰能力差	采用宽幅电平（±12V 替代 TTL 的 3.3V/5V），提升抗干扰容限（噪声需超过 ±3V 才会误判）。
通信距离极短	单端传输下最大距离约 15 米（波特率 ≤20kbps 时），远优于 UART 的“板级芯片间通信”距离。

2.2 RS232 的缺点

尽管解决了 UART 的部分问题，RS232 仍存在以下局限：

1. 抗干扰能力有限：
   采用单端传输（信号以“地”为参考），易受共模干扰（如设备间地电位差、电磁辐射）。工业环境中（如变频器附近），误码率可能高达 10%。

2. 传输距离与速率矛盾：
   速率越高，传输距离越短：

   • 9600bps 时，优质屏蔽线可传 20~30 米；
   • 115200bps 时，距离需限制在 5 米以内，否则信号衰减导致误码。

3. 电平转换复杂：
   需通过 MAX232/MAX3232 等芯片将 TTL 电平（3.3V/5V）转换为 RS232 电平（±12V），增加硬件成本与故障点

4. 接口电平高，易损坏芯片：
   接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容，所以需要使用电平转换芯片才能与TTL电路连接

5. 扩展性差：
   仅支持点对点通信（1 主 1 从），无法实现多设备组网。

2.3 RS232 与 RS485 的核心区别

RS485 是针对 RS232 缺点的升级方案，两者差异如下：

维度	RS232	RS485
传输方式	单端传输（信号对地）	差分传输（信号对 A/B 线）
抗干扰能力	弱（易受共模干扰）	强（差分信号抵消共模干扰）
传输距离	最大 15 米（速率 ≤20kbps）	最大 1200 米（速率 ≤100kbps）
传输速率	最高 20kbps（15 米内）	最高 10Mbps（10 米内）
通信方式	全双工（点对点）	半双工/全双工（总线型，多主多从）
拓扑结构	点对点（1 对 1）	总线型（最多 32 个节点，中继器可扩展）
终端匹配	无需终端电阻	需在总线两端加 120Ω 终端电阻

2.4 工程应用场景

2.4.1 RS232 的典型场景

• 设备调试与维护：计算机通过 RS232 连接 PLC、工业仪表，实时读取数据或修改参数（如实验室环境、生产线下位机调试）。
• 短距离旧设备通信：连接条形码扫描器、串口打印机、老式 Modem 等（如超市收银系统、工业产线的老旧传感器）。
• 点对点控制：小型设备间的指令传输（如智能家电与遥控器的近距离通信）。

2.4.2 RS485 的典型场景

• 工业自动化组网：PLC 与变频器、传感器（如温湿度、压力传感器）组成分布式网络（如楼宇自控系统、智能电网数据采集）。
• 长距离数据传输：跨车间/厂区的信号传输（如煤矿井下传感器组网、城市路灯控制系统）。
• 多设备总线通信：支持 Modbus RTU 等协议，实现 1 主多从通信（如智能家居总线、工业机器人集群控制）。

3. 总结

RS232 是 UART 的“电气层升级”，解决了电平不统一、距离短的问题，但受限于单端传输和点对点拓扑；RS485 则通过差分传输和总线结构，在抗干扰、距离、扩展性上更适配工业场景。实际工程中，短距离调试选 RS232，长距离工业组网选 RS485。

3. RS485(串行异步通信接口)

1. 接口电平低，不易损坏芯片：
   逻辑1以两线间电压差为+(2-6)V表示，逻辑0以两线间电压差为-(2-6)V表示。接口信号电平比 RS232 低

2. 传输速率高：
   速率越高，传输距离越短：

   • 10 米时，最高传输速率可以达到35Mbps；
   • 1200米时，传输速率可以达到100Mbps。

3. 抗干扰能力强：
   RS485采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

4. 传输距离远，支持节点多：
   最长可传输1200m以上，一般最大支持32个节点。

4. I2C(串行同步通信接口)

由SDA和SCL构成的两线式半双工串行总线，同时处于高电平时规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出场效应管均处于截至状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

起始信号

当SCL为高电平期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变的时序信号，而不是一个电平信号；

停止信号

当SCL为高电平期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电平跳变的时序信号，而不是一个电平信号；

应答信号

发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。
应答信号为低电平时，规定为有效应答位(ACK简称应位)，表示接收器已经成功地接收了该字节;
应答信号为高电平时，规定为非应答位(NACK)，一般表示接收器接收该字节没有成功。
对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平

数据信息

I2C总线进行数据传递时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的电平状态才允许变化。
即：数据在SCL的上升沿到来之前就要准备好，并在下降沿到来之前必须稳定

5. SPI [Serial Peripheral Interface] (串行同步通信接口)

是一种高速的全双工同步的通信总线，并在芯片管脚上只占用四根线，节约芯片管脚，节省PCB空间，主要应用EEPROM、Flash、RTC，ADC还有数字信号处理器、数字信号解码器

SPI接口简介

MISO 主设备数据输入，从设备数据输出
MOSI主设备数据输出，从设备数据输入
SCLK时钟信号，由主设备产生
CS（NSS）从设备片选信号，由主设备控制

通信过程

SPI总线在进行数据传送时先传送高位，后传送低位：数据线为高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0；
一个字节传送完成无需应答即可开始下一个字节的传送;
SPl总线采用同步方式工作，时钟线在上升沿或下降沿时发送器向数据线上发送数据，在紧接着的下降沿或上升沿时接收器从数据线上读取数据，完成一位数据传送，八个时钟周期即可完成一个字节数据的传送;

IIC和SPI的异同

• 相同点
  • 均采用串行、同步的方式
  • 均采用TTL电平，传输距离和应用场景类似（板子内部芯片之间通信）
  • 均采用主从方式工作
• 不同点
  • IIC为半双工，SPI为全双工
  • IIC有应答机制，SPI无应答机制
  • IIC通过向总线广播从机地址来寻址，SPI通过向对应从机发送使能信号来寻址
  • IIC的时钟极性和时钟相位固定，SPl的时钟极性和时钟相位可调

6. Modbus

常见串口通信接口

以下是补充完善后的常见串行通信接口表格，从引脚、通信方式、方向、典型应用、速率、拓扑等维度梳理，方便对比理解：

通信标准	引脚说明	通信方式	通信方向	典型应用场景	速率范围	拓扑结构
UART（TTL电平）	TXD（发送端）、RXD（接收端）、GND（公共地）	异步通信	全双工	板级芯片间通信（如MCU间短距传输）	典型9600bps~115200bps	点对点
RS232（UART电气扩展）	TXD、RXD、GND（基础）； 可选RTS（请求发送）、CTS（清除发送）等握手线	异步通信	全双工	短距离设备调试（如PC与串口模块、老式Modem）	最高~20kbps（15米内）	点对点
RS485（UART电气扩展）	A（差分正）、B（差分负）、GND（可选）	异步通信	半双工（需分时收发）	工业长距离组网（如PLC、传感器集群、智能电表）	100kbps（1200米）~10Mbps（短距离）	总线型（最多32节点，可通过中继扩展）
单总线（1-Wire）	DQ（发送/接收端，需外接上拉电阻）	异步通信	半双工	温度传感器（DS18B20）、EEPROM、唯一ID芯片	最高~16kbps	总线型（一主多从，主机控制总线）
SPI	SCK（同步时钟）、MISO（主机输入/从机输出）、 MOSI（主机输出/从机输入）、CS（片选，多从机时需）	同步通信	全双工	Flash存储、ADC采集、LCD显示模块	几Mbps~几十Mbps（高速SPI可达50+Mbps）	一主多从（通过CS片选区分从机）
I2C	SCL（同步时钟）、SDA（数据输入/输出端）	同步通信	半双工	传感器（如温湿度、加速度）、EEPROM、模块间低速率通信	标准模式100kbps； 快速模式400kbps； 高速模式3.4Mbps	总线型（一主多从或多主多从，通过从机地址区分设备）

补充说明：

1. UART与RS232/RS485的关系：UART是“异步收发器”的逻辑层（定义时序），RS232/RS485是UART的电气层扩展（定义电平、接口）。
2. 全双工 vs 半双工：全双工可同时收发（如UART的TX和RX独立）；半双工需分时收发（如I2C的SDA、单总线的DQ同一时刻只能传一个方向的数据）。
3. 同步 vs 异步：同步通信需时钟线（如SPI的SCK、I2C的SCL）同步数据；异步通信无时钟线，靠波特率（UART）或固定时序（单总线）同步。

电平协议转换芯片