「一文搞定」串口、COM、UART、TTL、USB、RS-232、RS-485、I2C、SPI、CAN、1-WIRE

电子产品，如电脑，鼠标，充电器，包括汽车等，我们身边有很多接口，这篇博客带你认识这些接口，知道长什么样子，用在什么地方，怎么用，原理是什么？

这篇博客只是简单介绍认识，总线接口类的详细内容，可以移步专栏【总线接口】

一、串口

1、串口概述

  串行接口简称为串口，也叫串行通信接口，一般也叫COM口，这是一个统称，采用串行通信的接口都叫作串口，串口是一个硬件接口。

2、公头和母头

  有公头和母头之分，大家可以自行记忆，左边有孔的为母头，另外一个就为公头。

公头和母头

3、串行和并行

  串行：计算机总线或其他数据通道上，每次传输一个位元数据，并连续进行以上单次过程的通信方式。

  并行：在串行端口上通过一次同时传输若干位元数据的方式进行通信，所以并行的速度比串行快。

串行和并行

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二、UART

  UART是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter的简称，意为通用异步收发传输器，UART包含TTL电平的串口和RS-232电平的串口，使用UART通信的双方设备都需要遵从UART协议。

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三、TTL电平

1、TTL概述

  TTL是Transistor-Transistor Logic的简写，是一种电平逻辑，晶体管-晶体管逻辑。

2、标准TTL电平逻辑

  逻辑1代表高电平，连接到电源VCC，逻辑0为低电平，连接到电源地。

• 逻辑1，高电平，VCC（3.3V/5V）
• 逻辑0，低电平，GND（0V）

  TTL有电压范围，分为输出高、低电平和输入高、低电平，输出高电平用$V_{OH}$表示，输出低电平用$V_{OL}$表示；输入高电平用$V_{IH}$表示，输入低电平用$V_{IL}$表示。

  对TTL电平的器件来说，当输入电压高于2V时，才会被识别为逻辑1，输入的低电平低于1.2V时，才会被识别为0，这是为什么输出高电平2.4V，高于2V；输出低电平0.8V，低于1.2V的原因所在。如下是标准TTL电平，TTL有很多类型，电压有所区别。

• $V_{OH}>2.4V，V_{OL}<0.8V$
• $V_{IH}>2.0V，V_{IL}<1.2V$

3、USB转TTL

  玩过51单片机的小伙伴都用过CH340G模块，用来下载HEX文件，这个模块的作用就是将USB转成TTL电平，一般单片机的电平都是TTL电平，模块的内部芯片是CH340T，ST官方推荐。

USB转TTL模块

  使用CH340T芯片，USB转TTL电平的电路原理图。

USB转TTL原理图

4、与单片机连接

  TTL电平的器件之间通信，只需要三根信号线：TXD、RXD和GND，和单片机接法很简单，3.3V单片机就接3.3V，5V单片机就接5V，如果单片机有单独的供电，3.3V和5V都不接。

USB转TTL模块与单片机的连接

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四、USB

1、USB概述

  USB是Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，是应用在PC领域的接口技术，特点是传输速度快，支持热插拔，可连接多个设备。

  我们在很多地方可以看到USB的身影，鼠标，键盘，手机充电器，现在几乎所有的电子充电设备都是USB接口，如下是各个USB的物理接口。

USB接口分类

2、USB速率

• 1MB/s=8Mbps（1个Byte等于8bit）

• USB1.0 低速（Low Speed） 传输速率为 1.5Mbps；

• USB1.1 全速（Full Speed） 传输速率为 12Mbps；

• USB2.0 高速（High Speed） 传输速率为 480Mbps；

• USB3.0 超速（SuperSpeed） 传输速率为 5Gbps；

• USB3.1 Gen2 超高速（SuperSpeed+） 传输速率为 10Gbps；

3、USB接口定义

  最常见的的Type-A型USB接口定义如下。

Pin#	Name	颜色
1	VBUS/+5V	红色
2	D-/Data-/DM	白色
3	D+/Data+/DP	绿色
4	GND	黑色

Type-A型接口

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五、RS-232

1、RS-232概述

  RS-232接口符合美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，原始编号全称是EIA-RS-232（简称232，RS232）。它被广泛用于计算机串行接口外设连接，连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

2、RS-232电平逻辑

  RS-232不同于TTL的电平逻辑，为负逻辑，负12V代表高电平逻辑1，正12V代表低电平逻辑0，电压也有标准范围。

• 高电平，逻辑1，-15V to -3V
• 低电平，逻辑0，＋3V to +15

  除了TTL，RS232，还有一个CMOS电平标准。

• $V_{OH}>0.9\ast VCC$，$V_{OL}<0.1\ast VCC$
• $V_{IH}>0.7\ast VCC$，$V_{IL}<0.3\ast VCC$

3、DB9接口定义

  下图是DB9公头和母头的定义，一般用的最多的是RXD、TXD、GND，三个信号。

DB9公头和母头接口信号定义

  工业场合还会用到DB-25的RS232，DB9和DB25接口可以转换。

DB9转DB25

4、USB转RS-232

  USB转232，可以先将USB转换为TTL，再将TTL转换为RS232，当然市面上也有很多USB直接转RS232的线材，线材内部集成转换电路，淘宝上某USB转RS232用的两个芯片是FT232和SP213。

USB转RS232线材

5、TTL和RS-232互转

  单片机接口一般是TTL电平，如果需要接232电平的外设，就需要加TTL转RS232的模块，转换方向是双向的。

  TTL和RS232电平互相转换最常用的芯片是MAX232和SP3232。

TTL和RS-232转换模块

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六、RS-485

1、RS-485概述

  RS-485和RS-232一样，都是串行通信标准，现在的标准名称是TIA/EIA-485-A，习惯称为RS-485标准，RS-485弥补了RS-232通信距离短，速率低的缺点。

  RS-485和RS-232单端传输不一样，是差分传输，使用一对双绞线，其中一根线定义为A，另一个定义为B。

2、RS-485电平逻辑

  RS-485是差分传输，一般收发器内部是一个发送器加一个收发器组成。下图是收发器典型的功能框图。

  对于使能信号，字母上面加一横的为低电平有效，不加的为高电平有效。

  对于发送器，有如下的真值表

• 当驱动器使能引脚$DE$为逻辑高时，差分输出$A$和$B$遵循数据输入$D$处的逻辑状态。$D$处的逻辑高导致A转为高，B转为低。在这种情况下，定义为$V_{OD}=V_A–V_B$的差分输出电压为正。当$D$为低时，输出状态反转，$B$变高，$A$变低，$V_{OD}$为负。
• 当$DE$低时，两个输出都变成高阻抗。在这种情况下，与$D$处的逻辑状态是不相关的。

RS-485发送器真值表

  对于接收器，有如下的真值表

• 当接收器使能引脚$RE$逻辑低时，接收器被激活。当定义为$V_{ID}=V_A–V_B$的差分输入电压为正且高于正输入阈值$V_{IT+}$时，接收机输出$R$变高。当$V_{ID}$为负且低于负输入阈值$V_{IT-}$，接收机输出$R$变低。如果$V_{ID}$在$V_{IT+}$和$V_{IT-}$之间，则输出不确定。
• 当$RE$为逻辑高或悬空时，接收机输出为高阻抗，$V_{ID}$的大小和极性无关。

RS-485接受器真值表

1、RS-485电平逻辑说明

  很多收发器的标准达到甚至超过TIA/EIA-485A规范，在实际使用中，以器件的SPEC参数为主。

3、TTL和RS-485转换

  TTL转成RS-485很常见，收发器芯片市面上很多，比如MAX485，用起来也很简单，一般左边接MCU的GPIO，用来控制。

TTL转RS-485

4、RS-232和RS-485转换

  RS-232和RS-485之间可以转换，一个方法是RS-232转换成TTL，再由TTL转换为RS-485，当然也有芯片支持将RS-232支持转换成RS-485，双向转换。

RS-232和RS-485转换模块

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七、IIC

1、IIC概述

  IIC总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，IIC只需要两根线进行通信，SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）

  下图是I2C总线的典型结构，同一时刻可以单主机多从机或单主机单从机，I2C总线上的任意设备都可以当主机，一般主机是MCU，当有多个主机时，会通过总线仲裁的方式选出一个主机，其他退出作从机。

IIC总线架构

  了解更多IIC总线的知识，可以查看博主之前写的博文：IIC软件协议及硬件知识汇总

2、IIC速率

• 标准模式：100Kbit/s
• 快速模式：400Kbit/s
• 高速模式：3.4Mbit/s

八、SPI

1、SPI概述

  SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，SPI的速率比I2C高，一般可以到几十Mbps，不同的器件当主机和当作从机的速率一般不同。

2、SPI信号线

• MISO – Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出；
• MOSI – Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
• SCLK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；
• CS – Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制；

3、SPI典型应用

  SPI最典型的应用是单主机单从机，下图是接线方式，当然也可以多从机。

SPI单主机单从机连接方式

关于SPI的详细知识，博主后续会专门更新一篇博客介绍

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九、CAN

1、CAN概述

  CAN是Controller Area Network的简称，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，现在是汽车网络的标准协议。

2、CAN电平逻辑

电平	逻辑	总线Value
显性电平	0	CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V
隐性电平	1	CAN_H=2.5V，CAN_L=2.5V

  了解更多关于CAN总线的知识，可以查看博主写的博客：CAN总线入门学习（1）

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十、1-WIRE

1、1-WIRE概述

  单总线是美国DALLAS公司推出的外围串行扩展总线技术，与SPI、I2C串行数据通信方式不同，它采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的。

2、1-WIRE典型框图

  如下是1-WIRE的典型框图，可以看到微处理器和1-WIRE器件之间只有一根线。

• 当MCU发送逻辑1时，经过反相器，总线呈现逻辑0，逻辑0经过1-WIRE器件的反相器，即会收到逻辑1

• 当MCU发送逻辑0时，经过反向器，总线呈现逻辑1，逻辑1经过1-WIRE器件的反相器，即会收到逻辑0

• 同理，当1WIRE器件发送逻辑1时，Tx处有NMOS会导通，总线呈现逻辑0，经过MCU Rx处的反相器，MCU会收到逻辑1

• 发送逻辑0时，NMOS截止，总线呈现逻辑1，MCU会收到逻辑0

  了解更多关于1-WIRE的知识点击1-Wire 单总线硬件结构及软件时序分析（实测波形+C代码分析）

1-WIRE结构图

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永远相信美好的事情即将发生！作者记得诚，写于安徽合肥，时间2020-03-08 PM21:05