RS232、RS485和TTL電平與串行通信

RS232、RS485和TTL

作為一個底層軟件開發工程師，經常會碰到RS232、RS485和TTL這一類的問題。

之前總是碰到問題之后Google一下，把當下的問題解決了之后就不管了，過個一兩天就忘得一干二凈，結果后續每次都會碰到類似的問題，都是從零開始地去解決，這種方式看起來當時快速解決了問題，結果在后續的開發中浪費了更多的時間。

為了解決這個問題，博主決定一次性把這些東西給弄清楚

串行通信

串行通信是指 使用一條數據線，將數據一位一位地依次傳輸，每一位數據占據一個固定的時間長度。

其只需要少數幾條線就可以在系統間交換信息，特別適用於計算機與計算機、計算機與外設之間的短距離通信。

串行通信在傳輸方式上分為同步通信和異步通信，在傳輸方向上分為單工通信，半雙工通信，全雙工通信。

同步通信

顧名思義，同步通信需要通信雙方進行數據同步，一般表現為通信雙方在時鍾線上的統一,雙方在在數據的收發上是同時的，根據時鍾線的跳變來操作數據線實現發送(讀取)，常用的同步協議有SPI I2C。

異步通信

異步通信不需要建立數據同步即可傳輸數據，發送方按照一定的協議格式來發送數據，接收方接收到數據再根據協議進行解析，雙方的收發不需要同時進行，也不需要進行傳輸時的校驗，RS232，485和UART就屬於這一類。

同步通信和異步通信的比較

在這里，我們不妨可以先思考一下，同步通信和異步通信最根本的區別是什么？

同步通信，通信雙方遵循相同的時鍾，每一個幀數據的收發都是需要經過雙方共同確認，然后再進行下一幀傳輸。

而異步通信則不然，在發送發看來，需要發送數據的時候，只負責把數據發出去就行了，接受方到底收沒收到或者怎么解析不需要發送方操心。

從上述的原理上的區別出發，我們以發送0x55(01010101b)為例，可以發現兩者通信的區別：

在同步發送中，數據線上只需要根據時鍾發送數據01010101，接收方同時也可以根據時鍾來解析收到的數據。

但是在異步發送中，因為沒有時鍾同步，如果發送方僅僅將數據01010101發送出來，接收方無法解析接收到的數據。原因有兩個：

1. 接收方不知道數據是以一個什么樣的間隔時間發送過來的，可能發送方的時鍾頻率和配置決定了發送為1bit/us，但是接收方的時鍾配置不一致，就出現解析錯誤。

2. 接受方無法判斷數據的開始和結束，如果數據線的默認電平為高，發送數據的第一位也為高，將難以判斷數據是從哪里開始。

所以，針對這兩個問題，異步通信提出了兩個相應的解決方案：

1. 通信雙方遵循相同的傳輸速率，即波特率
2. 在通信協議中加入開始位，結束位，校驗位以實現數據的接收時解析。

同步通信和異步通信的優劣

• 可以看出，同步通信中的數據傳輸效率(注意是效率，非速率)要高於異步傳輸，同步傳輸效率一般能達到100%，而異步傳輸中傳輸的數據並非全是有效數據，像串口協議中，常用配置中(1停止位，無校驗)傳輸一個字節需要傳送10bit。

• 在更復雜的應用中，同步傳輸可以做到點對多點的傳輸，多點可以共用一個時鍾線，可以輕松實現一點寫，多點讀的操作。而在異步通信中，無法確定接收方接收數據的時間，所以不適用於點對多點的傳輸。

• 在相同的時鍾頻率下，傳輸效率高的同步通信自然能達到更高的數據吞吐量。

• 異步傳輸在傳輸效率上比同步傳輸低，但是同時也省去了同步所需要的時間，尤其是在遠距離傳輸時，時鍾同步所帶來的開銷也是不容忽視的，所以在長距離的傳輸中，一般使用異步通信，如RS485就支持KM級別的距離傳輸，而SPI I2C一般都用於板級通信。

• 異步傳輸不需要時鍾線，更容易實現且節省資源。

單工通信

單工即單向通信，在整個數據傳輸的過程中只允許定向地傳輸數據

半雙工通信

雙工即雙向通信，半雙工指的是在同一時刻，只允許一個方向的發送接收，就像兩個人打電話，A可以對B說話，B可以對A說話，但是A/B不能同時說話，那樣會造成混亂。

全雙工通信

全雙工通信就是允許數據在兩個方向上同時傳輸。數據的收和發之間不會相互影響。

RS232 RS485 TTL電平

RS232 RS485 TTL同屬於異步串行通信，這三種通信方式本質上是電平邏輯的區別。

RS232

RS232多用於電腦的串口，目前使用最廣泛的就DB9接口，即九線接口，目前一般的電腦主機后面都會有這樣的接口.

RS232電平采用負邏輯,

-15V ~ -3V  代表邏輯1
+3V  ~ +15V 代表邏輯0
-3V  ~ +3V  無意義

在早期還有DB25線的接口，后來IBM將標准改成9線接口。

這種信號傳輸方式決定了一根數據線即可實現數據傳輸，所以兩根信號線(TX RX)即可實現全雙工地數據傳輸,上圖中的其他信號腳類似於RTS/CTS等都是用於差錯控制，在較簡單的應用中只需要GND RX TX即可。

RS232電平傳輸方式有一些明顯的缺點：

1. 接口的信號電平值相對太高，容易損壞接口電路的芯片。
2. 傳輸速率比較低，在異步傳輸時，波特率只有20Kbps。
3. 接口使用一根信號線和一根信號返回線回路構成共地的傳輸模式，很容易產生共模干擾，所以抗噪聲比較弱。
4. 由於抗干擾能力弱，易產生共模干擾，所以傳輸距離並不遠。
   針對RS232在這些方面的不足，於是不斷出現了一些新的標准，其中RS485是使用比較廣泛的標准。

RS485

RS485多用於長距離傳輸的應用場景，大多數是在工業場景中，RS485電平邏輯采用差分電平，即傳輸數據至少需要兩根信號線，根據兩根信號線電壓的差值來確定電平邏輯，發送端電平：

+2V ~ +6V  代表邏輯1
-2V ~ -6V  代表邏輯0
其他       無意義

接收端電平：
> +200mv 代表邏輯1
< -200mv 代表邏輯0
其他 無意義
由於在傳輸數據時需要兩根信號線同時工作，所以RS485只能做到半雙工通信，在RS232上依然有以下優化：

• 差分信號抗干擾能力強
• 傳輸距離大大加長，可以達到KM級別的傳輸
• 相對應RS232而言可以支持多點傳輸甚至聯網構成分布式系統。
• 傳輸速率可達到10M/bps。

TTL電平

目前我們熟知的單片機基本上都是使用的TTL電平的信號系統，這是計算機處理器控制的設備內部各部分之間通信的通信標准。

TTL集成電路的全名是晶體管-晶體管邏輯集成電路（Transistor-Transistor Logic)。在傳統的單片機系統中，VCC(供電電壓)為5V，電平標准為：

輸出：
小於0.8V  代表邏輯0
大於2.4V  代表邏輯1
輸入：
小於1.2V  代表邏輯0
大於2.0V  代表邏輯1
其他      無意義

因為2.4V和5V之間還有很大的空閑，白白增加了系統的功耗，同時影響了速度，所以來后就把一部分砍掉了，也就是后來的LVTTL，LVTTL又分為3.3V、2.5V甚至更低電壓的LVTTL(Low Voltage TTL).在3.3V LVTTL,Vcc = 3.3V中，電平標准為:
輸出：
大於2.4V 代表邏輯1
小於0.4V 代表邏輯0
輸入：
小於0.8V 代表邏輯0
大於2V 代表邏輯1
其他 無意義
TTL電平輸入腳懸空時是內部認為是高電平。要下拉的話應用1k以下電阻下拉。

TTL電平無法進行長距離傳輸，抗干擾能力弱，信號衰減較大。

TTL電平為邏輯電平而設計，基本用於板級通信，單片機基本上都使用TTL信號系統。

無意義的電平

在上面的電平描述中，都提到了無意義的電平，事實上在數據的接收中，如果接收到一個無意義的電平，這時候的邏輯輸出是不確定的，有可能是正確的，有可能是錯誤的。

例如，RS232的系統中，需要傳輸數據0x55(01010101b)，但是在傳輸過程中由於干擾，最低位的數據1電平在接收端為0V，即無意義電平，其他位正常，這時候在接收端的解析中可能出現接收數據為0x54和0x55的結果，即無意義電平的解析是不確定的，可能是正確結果，也可能不是。

串行通信流控

串行通信中的流控制

這里講到的流，指的是數據流，數據在兩個串口之間傳輸時，常常出現一些意料之外的情況，比如通信雙方速率不一致，又或者是接收端緩沖區溢出導致數據丟失等等。

流控制專門為了解決這些問題而生，例如，當接收端的數據處理不過來時，就可以發出“不再接收”的信號，發送端收到信號馬上停止發送，等接收端可以繼續接收之后，再發送“繼續接收”的信號提醒發送端繼續發送。

流控制一般分為硬件流控制和軟件流控制，顧名思義，硬件流控制需要硬件上的支持，常用的有rts/cts,dts/cts信號線，流控制的信號在這些信號線上傳輸，而軟件流控制則是由軟件來實現，在傳輸過程中定義特殊字段來作為流控制信號。

硬件流控制

硬件流控制必須將相應的電纜線連上，用rts/cts(請求發送/清除發送)流控制時，應將通訊兩端的rts、cts線對應相連，數據終端設備(如計算機)使用rts來起始調制解調器或其它數據通訊設備的數據流，而數據通訊設備(如調制解調器)則用cts來起動和暫停來自計算機的數據流。

這種硬件握手方式的過程為：

在編程時根據接收端緩沖區大小設置一個高位標志(可為緩沖區大小的75％)和一個低位標志(可為緩沖區大小的25％)，當緩沖區內數據量達到高位時，我們在接收端將cts線置低電平(送邏輯0)。

當發送端的程序檢測到cts為低后，就停止發送數據，直到接收端緩沖區的數據量低於低位而將cts置高電平。

rts則用來標明接收設備有沒有准備好接收數據。

軟件流控制

由於電纜線的限制，我們在普通的控制通訊中一般不用硬件流控制，而用軟件流控制。一般通過xon/xoff來實現軟件流控制。

常用方法是：當接收端的輸入緩沖區內數據量超過設定的高位時，就向數據發送端發出xoff字符(十進制的19或control-s，設備編程說明書應該有詳細闡述)，發送端收到xoff字符后就立即停止發送數據；當接收端的輸入緩沖區內數據量低於設定的低位時，就向數據發送端發出xon字符(十進制的17或control-q)，發送端收到xon字符后就立即開始發送數據。一般可以從設備配套源程序中找到發送的是什么字符。

但是這種流控制僅僅適用於字符流傳輸的情況，如果是傳輸二進制數據，很可能數據內容中就帶有xoff字符導致出現差錯，所以軟件流控制還是有比較大的缺陷。

不同電平之間的相互轉換

在嵌入式的軟件開發過程中，經常要用到不同設備之間的串口通信，既然這些串口分屬於不同的電平信號系統，自然是不能直接進行通信的。

比如：將RS232的TX連接到TTL電平的RX時，發送端發送邏輯0信號為+10V，但是+10V的信號很可能直接將TTL端的芯片損壞，因為TTL端只支持0~5V的電平，所以在雙方進行通信的時候，需要對電平進行轉換才能進行通信。

對於電平的轉換，網上已經有非常成熟的方案可以直接使用：

好了，關於串行通信的問題討論就到此為止了，如果朋友們對於這個有什么疑問或者發現有文章中有什么錯誤，歡迎留言

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祝各位早日實現項目叢中過，bug不沾身.
（完）

TTL電平部分參考：https://blog.csdn.net/lijiuyangzilsc/article/details/48599745