串口的4种电气标准

前言

先阅读《Sylixos下的UART基础知识》了解串口的基本概念和特性。

串口有4种电气标准，分别是TTL、 RS232 、RS422 和 RS485。这4种串口只在电气信号上有差别，在帧格式，传输逻辑和软件操作上基本都是一样的。在实际项目应用中会有些差别，本文详细描述这些差别和应用特点。

需要说明一下，很多人经常把RS-232、RS-422、RS-485 误称为通讯协议，这是很不应该的，其实它们仅是关于UART通讯的一个机械和电气接口标准，顶多是网络协议中的物理层面。

主要区别

串口的4种电气标准比较表

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	-0.25V～+6V	-7V～+12V
抗干扰性	弱	交强	强	强
传输距离	1m	10m	1.2Km	1.2Km
传输带宽	100Kb/s	100Kb/s	10Mb/s	10Mb/s
负载个数	1	1	10	32
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，多对多
导线 根数	3	3	4	2

详细介绍

TTL电平

这种是板上通信最常用的方式，SOC或独立的串口控制器芯片直接就提供该接口。TTL为正逻辑电平信号，电压值也较低，一般就是芯片电源电压3.3V或5V，抗干扰能力较差，所以也只是在板上短距离连接。

RS-232

RS-232是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号。RS-232是对电气特性以及物理特性的规定，只作用于数据的传输通路上，它并不内含对数据的处理方式。

该标准规定采用一个25 个脚的DB-25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC 机将RS-232 简化成了DB-9 连接器，从而成为今天的事实标准。而工业控制的RS-232 口一般只使用RXD（2）、TXD（3）、GND（5） 三条线。

RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3—-15V；逻辑“0”：+3—+15V，噪声容限为2V。即要求接收器能识别高于+3V的信号作为逻辑“0”，低于-3V的信号作为逻辑“1”，TTL电平为5V为逻辑正，0为逻辑负。与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

早期由于PC都带有RS-232接口，所以我们需要使用UART时，都选择RS-232。但是现在个人电脑，不光是笔记本，包括台式机都不再带有RS-232的接口，大家看到电脑主板上面没有DB9的接口。所以现在开发板都选择TTL的UART，或者直接UART转USB做在开发板上。

由于RS-232 接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：

（1） 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路芯片，又因为232电平与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接；
（2） 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。现在由于采用了新的UART芯片，波特率达到115.2Kbps（1.832M/16）；
（3） 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；
（4） 传输距离有限，最大传输距离标准值为50 米，实际上也只能用在15 米左右；
（5） RS-232 只容许一对一的通信，没有考虑构成串行总线。(这点很重要，在很多控制场景，是一控多，如果主设备都需要跟从设备点对点通信，那现场布线成蜘蛛网了)

RS-422标准

RS-422（EIA RS-422-A Standard）标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用平衡发送和差分接收，这种方式具有很强的共模干扰抑制能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压差，故传输信号能在千米以外得到恢复。

RS-422接口是采用平衡发送和差分接收方式。RS-422 有5 根信号线：两根发送、两根接收还有一根信号地线。

由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。一个主设备（Master），其余为从设备（Slave），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。

RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

由于RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发（全双工），也正因为全双工要求收发要有单独的信道，所以RS-422适用于两个站之间通信，星型网、环网，不可用于总线网。

RS-485标准

RS-485是美国电子工业协会（EIA）在1983年批准了一个新的平衡传输标准（balanced transmission standard），EIA一开始将RS（Recommended Standard）做为标准的前缀，不过后来为了便于识别标准的来源，已将RS改为EIA/TIA。目前标准名称为TIA-485，但工程师及应用指南仍继续使用RS-485来称呼此标准。

RS-485仅是一个电气标准，描述了接口的物理层，像协议、时序、串行或并行数据以及链路全部由设计者或更高层协议定义。 RS-485定义的是使用平衡（也称作差分）多点传输线的驱动器（driver）和接收器（receiver）的电气特性。

RS-232接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。于是，为了解决这个问题，一个新的标准RS-485产生了。RS-485的数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。

通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。

RS-485 只有2 根信号线，所以只能工作在半双工模式，常用于总线网。

RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2 ~ 6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2 ~ 6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。

传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离1219M，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

RS-232与RS-485对比

1. 抗干扰性：RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。RS232 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰。
2. 传输距离：RS485 接口的最大传输距离标准值为 1200 米（9600bps 时），实际上可达 3000 米。RS232 传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 米，实际上也只能用在 15 米左右。
3. 通信能力：RS-485 接口在总线上是允许连接多达128个收发器，用户可以利用单一的 RS-485 接口方便地建立起设备网络。RS-232只允许一对一通信。
4. 传输速率：RS-232传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps。RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps 。
5. 信号线：RS485 接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线。RS-232 口一般只使用 RXD、TXD、GND 三条线 。
6. 电气电平值：RS-485的逻辑"1"以两线间的电压差为+（2-6） V 表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-（2-6）V 表 示 。在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑"1"，-5- -15V；逻辑"0 " +5- +15V 。

RS-422与RS-485对比

RS-485的电气性能与RS-422完全一样。主要的区别在于：

1. RS-422 有4 根信号线：两根发送（Y、Z）、两根接收（A、B）。由于RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发（全双工）。RS-485 只有两根数据线：发送和接收都是A 和B。由于RS-485 的收与发是共用两根线，所以不能同时收和发（半双工）。
2. 负载个数不一样，RS-422最多1发10收，RS-485则是最多1发32收。