串口通信原理详解

串行接口简称串口，也称串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。

串行通讯的特点是：

• 数据是按位(bit)逐位依次传输的，只需一根传输线即可完成单向传输通信；
• 如果有一对传输线就可以实现双向全双工通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢；

1、串口划分标准

串行接口按时钟同步方式不同，可以分为同步串行接口与异步串行接口。同步串行通信接口（Synchronous Serial Interface，简称SSI）是一种常用的工业用通信接口。常见的SPI接口也是同步串行接口的一种。

异步串行通信接口，一般特指通用异步收发送器（Universal Asynchronous
Receiver/Transmitter，简称UART）。它包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范，即UART是异步串行通信口的总称。说到串口，如果不指名同步或异步，则通常特指异步串行接口。

UART本身并没有规定电气特性，而RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等，是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。实际上是属于通信网络中的物理层（最底层）的概念，与通信协议没有直接关系。而通信协议，是属于通信网络中的数据链路层（上一层）的概念。

（1）UART-TTL电平标准：TXD/RXD/DTR/CTS信号的逻辑“0”输出电平要求小于0.4V；逻辑“1”输出电平要求大于2.4V，典型3.4V，上限不超过TTL电源5V。

（2）UART-RS232标准：RS (Recommeded Standard) 代表推荐标准，232是标识号。RS232标准主要规定了指电平定义、信号引脚功能的定义及应答协议等。RS232是全双工的，最小只需要3根信号线，一根数据线专门负责发送数据，另一根数据线专门接收数据，还有一根共地线。但是RS232只能单机通信。RS232接口标准定义的电平是负逻辑而且电压范围大：“1”（-3V～-15V），“0”（+3～+15V），所以，当一个微控制器中的UART相连于PC时，它需要一个RS232驱动器来转换电平。RS232电平是UART的默认标准，除此之外还有TTL电平以及CMOS电平，工程应用中要注意匹配。通常DIY人士常说的TTL线刷工具，就是将设备的TTL_UART口转接到PC的USB口的转换连接器。

（3）UART-RS485标准：RS485是采用差分线来进行串行数据通信的总线型接口规范。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS485采用差分信号负逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。

（4）UART-RS485标准：实际上就是具有两对差分线的RS485，可实现全双工通信。

2、串口通信协议

UART协议是全双工的异步收发协议，数据发送信号线TX与接收信号线RX各自独立并行工作，互不影响。通讯双方的传输速度（波特率）、检验位类型、停止位数目需要事先相互约定，否则无法正确通讯。

通过UART协议每传输的一个字节数据，都要在前面增加其同步作为的起始位，后面还要增加校验位及停止位。起始位是逻辑“0”电平，要求必须从下降沿开始，也就是说在起始位前沿必须是“1”（停止位或者空闲位）；而停止位没有前沿的要求，只要是“1”即可。在不传输数据时，数据线上必须保持“1”（空闲位）。

注意，除了空闲位，其他位的宽度都是相同的（等于波特率的），如果串口数据连续无延迟发送，则每一字节发送完毕后经过停止位后不会插入空闲位。

UART 数据传输时序：

关于波特率的概念说明：波特率(BaudRate)表示每秒钟传输的bit数，其单位是bps(bitper second)，这里的bit不仅仅是指数据位，还包括起始位、校验位、停止位，而且每1位的时间宽度都是是1/BaudRate。

假设串口配置为（9600bps、1个起始位、8个数据位、1个奇校验位、1个停止位，共11位），则每秒可以传输的字节数为 9600/11=872 Bytes。 

3、UART-TTL

UART-TTL就是采用TTL电平的全双工UART接口。也就是说，UART串口的各I/O引脚，包括TXD、RXD、DTR、CTS等信号逻辑“0”输出电平要求小于0.4V；逻辑“1”输出电平要求大于2.4V，典型3.4V，上限不超过TTL电源5V。

UART-TTL接口的常见实物形式有： USB转TTL串口线(刷机线/下载线)、USB转TTL串口适配器(USB Dongle)，如下图所示。

UART-TTL 适配器：

由于UART-TTL的应用场景中,通常只需要RXD/TXD/GND/VCC这4根线，因此常见的USB转TTL接口也只引出这四根线。 

4、UATT-RS232

UART-RS232就是采用232电平的全双工UART接口。RS232接口标准定义的电平是负逻辑而且电压范围大：“1”（-3V～-15V），“0”（+3～+15V）。RS232电平是UART的默认标准，由于RS232电平幅值较大，相比TTL电平具更大的噪声容限及更长的传输距离。RS232串口最大传输距离标准值为15米，最长距离不要超过20米。

UATT-RS232的接口形式，通常都是DB9形式，即9针D形接口，并且分公头母头两种形式。

UART-RS232-DB9 接口公母头：

UART-RS232 串口引脚定义(DB9)：

5、UART-RS485

UART-RS485属于总线类型，最小只需要两根数据线（差分信号：A线与B线），差分线之间的压差反映传输信号值，因此可以抵制共模干扰，抗干扰能力强，理论传输距离可以达到1200米。

RS485电平的逻辑1（正）是指电压B>A的情形，逻辑0（负）则是指电压A>B的情形。并且对于RS485电平发送器， 发送的差分电平要求满足A线与B线间电压差的绝对值在2v~6v之间；对于RS485电平接收器，只要求检测到AB线之间的压差绝对值不小于200mv即可表示数据，否则表示总线空闲。

单组差分信号线的RS485设备只能半双工通信，也就是同一时刻要么接收数据，要么发送数据（设备的输入/输出模式的切换有专门的引脚控制）。由于RS485没有总线仲裁机制，只能有上层软件来保证通信可靠性。因此，用户编程时必须遵循二个原则:（a） “仅在要发送数据时才强占总线（将设备切换为发送模式），一旦发送完数据则立即释放总线（切换为输入模式）” ；(b) 强占总线前最好先检测下总线是否空闲（比如，用低电平或高电平保持一定的时间作为空闲状态）。RS485与PC通信时，通常将RS485转换为RS232。

为了抑制干扰，RS-485需要2个终接电阻，接在传输总线的两端，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗，通常取120欧的电阻。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。

6、UART-RS422

RS422和RS485都是串行总线类型，电气特性完全一样。唯一的区别是RS422有两对差分线，可以实现全双工通信；而RS485只有一对差分线，只能半双工通信。