【一篇文章搞懂RS232与RS485通信】

一篇文章搞懂RS232与RS485通信

前言：
在学习RS232和RS485通信之前，为了我们更好的理解，就得结合串口通信的知识，所以顺便写一下，常用的通信方式。

1、通信方式

1.1、通信方式的分类

(1)、首先根据数据传输的位不同，可以分为：串行通信和并行通信
串行通信：所谓串行通信就是按一条数据线字节为单位，一位一位的传输；
并行通信：可想而知，并行通信就是多条数据线将数据的各个位可同时传输。
特点：
串行通信：通常是点对点的通信，通信线路简单，成本低，适合于长距离传送。
并行通信：特点是传输速度快，适合于短距离传送。
(2)、根据数据的时钟频率（比特流）可以分为：同步通信和异步通信
同步通信：就是数据的传输都在一条时钟线上，要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端往往发送连续的比特流；
异步通信：通讯双方约定同一个时钟频率或波特率，数据被划分有严格的起始位，数据为，结束标志位；同时不再要求接收端时钟和发送端时钟频率同步，只要波特率在相同的条件下就可以通信，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。
特点：
同步通信效率高；异步通信效率较低。
同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。
同步通信可用于点对多点；异步通信只适用于点对点。

1.2、串行通信的分类

我们知道了通信方式的大体的分类，那么在串行通信里，也有一定的划分方式：也就是通俗的单工、半双工、全双工通信
单工通信（Simplex Communication）：是指消息只能单方向传输的工作方式。
在单工通信中，通信的信道是单向的，发送端与接收端也是固定的，即发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能发送信息。基于这种情况，数据信号从一端传送到另外一端，信号流是单方向的。
比如：广播站播放广播听众接收信息，而听众无法通过广播频道反馈信息给广播站

半双工通信（Half-duplex Communication）可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行。
在这种工作方式下，发送端可以转变为接收端；相应地，接收端也可以转变为发送端。但是在同一个时刻，信息只能在一个方向上传输。因此，也可以将半双工通信理解为一种切换方向的单工通信。
比如：典型的对讲机，只能A说话传递信息，B接收信息；B传递信息时，A只能接收信息。不能同时进行。

全双工通信（Full duplex Communication）是指在通信的任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输。 全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，又称为双向同时通信，**即通信的双方可以同时发送和接收数据。**在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用（例如远程监测和控制系统）十分有利。这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器，同时，需要2根数据线传送数据信号。（可能还需要控制线和状态线，以及地线）。
理论上，全双工传输可以提高网络效率，但是实际上仍是配合其他相关设备才有用。
例如：必须选用双绞线的网络缆线才可以全双工传输，而且中间所接的集线器（HUB），也要能全双工传输；最后，所采用的网络操作系统也得支持全双工作业，如此才能真正发挥全双工传输的威力。

2.、串口通信

首先我们先来看基本的串口通信，因为RS232和RS485通信都属于串口通信的变种；
串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节的通信方式。
串口通信采用的是TTL（Transistor-Transistor Logic）电平标准逻辑
通信主要使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。
由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。
然后我们将围绕串口通信展开，方便理解，如下图所示：

那么我们想要建立串口通信也很简单，可以是两个芯片的通信，也可以是芯片和计算机的通信，学过单片机的很清楚典型的串口通信连接方式，如下图所示：


不难看出，通信主要使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。其中硬件上的RX和TX（TX是Transmission的缩写，表示数据的发送端，也就是从计算机或其他数据源输出的数据。RX是Reception的缩写，表示数据的接收端，也就是数据的目的地。）需要交叉相连的，其次还需要什么条件呢？

通过上面的通信方式中提到的异步通信的理解，可以知道实现串口通信还需要约定一个波特率，也就是说通讯双方约定同一个时钟频率或波特率，数据被划分有严格的起始位，数据为，结束标志位。

2.1、波特率

串口异步通信中由于没有时钟信号，所以通讯双方需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码。常见的波特率有4800、9600、115200等。
这是一个衡量符号传输速率的参数。指的是信号被调制以后在单位时间内的变化，即单位时间内载波参数变化的次数，如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位（1个起始位，1个停止位，8个数据位），这时的波特率为240Bd，比特率为10位*240个/秒=2400bps。
可以通俗的理解波特率为：1秒之内能够传输的高低电平个数。
知道了波特率，接下来了解一下，数据是如何被划分为起始位，数据为，结束标志位的呢？
其实这些都是由，IEEE(电气与电子工程师协会)等科学家定义的标准进行约束的，其中以基础的TTL电平标准为例，数据以帧格式标准进行划分，如图所示：

根据数据位的不同组合就能传输不同的数据，当然还有其它帧格式，如图所示：

起始位、停止位：
数据包从起始位开始，到停止位结束。起始信号用逻辑0的数据位表示，停止信号由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。
有效数据：
起始位之后便是传输的主体数据内容了，也称为有效数据，其长度一般被约定为5、6、7或8位长。
奇偶效验位：
由于在通讯过程中易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，所以在有效数据之后加上校验位解决。
校验方法有奇校验（odd）、偶校验（even）、0校验（space）、1校验（mark）及无校验（noparity）。
奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数，比如一个8位长的有效数据为：01101001，此时共有4个“1”，为达到奇校验效果，校验位为“1”，最后传输的是8位有效数据加1位校验位，共9位。
偶校验刚好相反，要求有效数据和校验位的“1”数量为偶数，则此时为达到偶校验效果，校验位为“0”。
而0校验则无论有效数据中是什么数据内容，校验位总是为“0”，1校验校验位总是为“1”。

2.2、串口通信的高低电平的范围

当知道约定的波特率和帧格式，以常见的9600波特率来说，就是1秒之内能够传输9600个高低电平的变化，接下来就是探讨串口通信的高低电平的范围，串口通信采用的是TTL（Transistor-Transistor Logic）电平标准逻辑，如图所示：
（TTL电平信号规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”(采用二进制来表示数据时)。这样的数据通信及电平规定方式，被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统。）

由图可知，TTL电平标准最小高电平输出为2.4V，最大低电平是0.4V；而我们通常情况下，串口通信都是认为以高电平为5V，低电平为0V进行通信工作，那么这就使得该电平很容易受到外界信号的干扰，比如，此时突然外界施加一段静电，干扰数据位的某一位突然拉高，所以使得此段的通信距离很短，这里就证明了TTL电平标准逻辑下的通信容易受外界干扰，传输的距离就很短。距离一般在1m之类，比如两个芯片之间或芯片和计算机之间的通信。如图所示：


为此科学家们为了结合实际的应用场景，EIA(美国电子工业联盟)就提出了RS232标准.

2.3、RS232标准

RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。
RS-232总线规定了25条线或9条线（常用），包含了两个信号通道，即第一通道（称为主通道）和第二通道（称为副通道）。
利用RS- 232总线可以实现全双工通信，通常使用的是主通道，而副通道使用较少。在一般应用中，使用3条～9条信号线就可以实现全双工通信，采用三条信号线（接收线、发送线和信号线）就能实现简单的全双工通信过程。DB-9针连接头，如图所示：

数据：
TXD（pin 3）：串口数据输出(Transmit Data)
RXD（pin 2）：串口数据输入(Receive Data)
握手：
RTS（pin 7）：发送数据请求(Request to Send)
CTS（pin 8）：清除发送(Clear to Send)
DSR（pin 6）：数据发送就绪(Data Send Ready)
DCD（pin 1）：数据载波检测(Data CarrierDetect)
DTR（pin 4）：数据终端就绪(Data Terminal Ready)
地线：
GND（pin 5）：地线
其它 :
RI（pin 9）：铃声指示

我们前面知道了，串口通信是属于全双工通信，比如单片机之间采用TTL电平容易受到外界干扰，且只能是点对点的通信，如图所示：

那么我们如何将串口通信TTL信号转换为RS232通信呢？
(1)、首先RS232标准是采用的负逻辑传输，规定逻辑“1”的电平为-3V~ -15 V，逻辑“0”的电平为+3 V～+15 V。选用该电气标准的目的在于提高抗干扰能力，增大通信距离。
RS -232的噪声容限为2V，接收器将能识别高至+3V的信号作为逻辑“0”，将低到-3 V的信号作为逻辑“1”。
(噪声容限是指：在前一级输出为最坏的情况下，为保证后一级正常工作，所允许的最大噪声幅度；
数电中：噪声容限越大说明容许的噪声越大，电路的抗干扰性越好。)

(2)、然后，知道了RS232的传输方式之后，我们只需要在原本的串口通信的基础上添加一个电平转换芯片，如MAX232，如图所示：

结合RS232负逻辑传输的特性，当我们由TTL给MAX232芯片一个5V电压，则MAX232输出一个-12V；当MAX232收到的是0V，则输出+12V，如图所示：

根据负逻辑特性和上图的理解，所以就得到了，RS232标准通信的高低电平的范围(规定逻辑“1”的电平为-3V~ -15 V，逻辑“0”的电平为+3 V～+15 V)，如图所示：

对比一下，TTL标准和RS232标准的电平大小，可得知RS232传输距离更远（一般15m）也同理，当受到外界的脉冲或信号干扰时，冗余更宽从而推理出，抗干扰能力也得到提升，但是相应的速率就会下降了，只要20k(也就是19200的波特率)如图所示：

RS232接口，这种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，随后出现的RS485解决了这个问题。

2.4、RS485标准

EIA-485（过去叫做RS-485或者RS485）是隶属于OSI模型物理层的电气特性规定为2线、半双工、平衡传输线多点通信的标准，也可以透过用四条线达到全双工。是由电信行业协会（TIA）及电子工业联盟（EIA）联合发布的标准。
RS-485与RS-232不一样，485数据信号采用的差分传输方式，也称作平衡传输。
RS485和EIA-422一样使用双绞线进行高电压差分平衡传输，多采用屏蔽双绞线传输，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点，也就是通俗的主从机模式通信。

那么我们如何将串口通信TTL信号转换为RS485通信呢？
与RS232类似只需要在串口通信的基础上添加485转换芯片，就可以使硬件建立通信，如图所示：

485转换芯片的作用：
就是将TTL电平信号转换为差分信号，并且差分信号只需要两根线这里以A和B表示，不需要GND地线，通常是熟知的双绞线的形式传输。如图所示：
（补充：以上的信号转换均是相互的，可由TTL转232/485，也可由482/232转TTL）

差分信号的逻辑关系，当A为高电平，B为低电平时，表示逻辑"0"，反之，当A为低电平，B为高电平时，表示逻辑"1"，如图所示：

差分信号的优势就是抗干扰能力强，因为输出的信号是由A、B两根线共同决定的，A、B差值表示逻辑”0/1“，而且采用双绞线的方式缠绕在一起，即使受到了干扰也是两根线同时受到干扰，这样它们的电压差值也可以基本保持不变。(笔记写到这，真的想感叹一下，这就是差分信号的强大之处，科学家yyds！见笑了，哈哈。)
如图所示：

正是有了这项特性，因此RS485的通信距离，也更加的远，可达1200m，而且最大传输速率可达到10Mbps，如图所示：

此外RS485还有另一个特性，就是概念里提到的，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点，也就是通俗的主从机模式通信。
而串口通信和RS232接口，只能实现点对点的通信方式，不能实现组网功能，**RS485则可以实现一主多从的组网通讯。**也就是可以与多台设备通信。

3、总结

无论是串口通信还是RS232或者RS485通信，它们均只定义了物理层，区分各自的电平标准以及应用场景，对我们的编程来说原理都是一样的，几乎没有影响。只要掌握了简单的串口通信，接触RS232、RS422、RS485等都能很快上手。
最后大概总结一下它们之间的区别：

	TTL	RS232	RS485
传输规范	计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术	异步串口协议	半双工同步协议
传输距离	1m	15m	1200m
传输速率	常见波特率范围	可达2Mbps(19200)	可达10Mbps
电气特性	0V ~ 5V	逻辑 1：-15V ~ -3V 逻辑0：+3V ~ +15V	逻辑 0：-6V ~ -2V 逻辑 1：+2V ~ +6V
网络拓扑结构	单向通信或点对点连接	单向通信或点对点连接	多个设备在同一条总线上进行主从通信

4、参考文献

1.百度百科
2.bilibili5分钟看懂!串口RS232 RS485最本质的区别！