UART通信

Posted on 2021-09-10 Edited on 2023-02-15 In Communication

RS Serial Port

RS系列（RS-232/RS-422/RS-485）标准（RS，即Recommend Standard，推荐标准 之意）是常用的（异步）串行通信接口标准，该系列标准由美国电子工业协会（EIA）牵头开发。

RS系列标准只对接口的 电气特性（Electric Specification of Interface）进行规定，并不涉及插件、电缆或协议，再次基础上，用户可以建立自己的接头、插座形状以及高层通信协议。

RS-232

RS-232标准接口（又称EIA RS-232）是由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统公司、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家于1970年共同制定，其全名是“数据终端设备( DTE)和数据通信设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”。

RS232协议和 TTL协议更多是电气特性（如电平标准和电压），二者在软件协议层面是一样的，如对于同样传输 0b01010101 来说，RS232 和 TTL的时序对比如下图所示：

图 RS232标准和TTL标准的时序对比

当然，RS232和TTL/CMOS之间的转换，不仅仅是简单的电平转换，还要考虑到其他一些因素，比如调节和矫正一些电平（提高或降低对应的电平），确保可能的有害的RS232电压不会破坏微控制器的串口针脚。较为成熟的方案是通过MAX3232之类的芯片，把TTL电平转为RS232电平，或者在淘宝购买TTL转RS232电缆即可。

由于RS-232采取 不平衡传输 方式，即所谓 单端通讯。收（RX）、发（TX）端的数据信号是相对于信号地（GND）。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，

在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5_{+15V，负电平在-5}-15V电平。
当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。

接收器典型的工作电平在 +3~+12V 与 -3~-12V 。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20Kbps。RS-232是为 单节点通讯（即点对点，用一对收、发设备）而设计的，其驱动器负载为3kΩ~7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。

RS-422

RS-422、RS-485与RS-232不一样，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-2V}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。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。

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。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10Mbps。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mbps。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。在矩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。

RS-485

RS-485 标准只对接口的 电气特性（Electric Specification of Interface）进行规定，并不涉及插件、电缆或协议，再次基础上，用户可以建立自己的接头、插座形状以及高层通信协议。

RS-485 的 通信距离 和 通信速率 是负相关的，

RS485有 两线制 和 四线制，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用。

接口（标准）对比

以下仅从RS的硬件要求进行横向对比：

表 RS系列标准对比

	RS-232	RS-422	RS-485
半双工/全双工	全双工	全双工	半双工
波特率
传输速率范围	300bps~100Kbps	10Mbps	10Mbps
联网支持（多设备连接）	不支持	支持	支持
电压范围
差模/共模	共模	差模	差模
最少信号线数量	3根	5根	2根
最大传输距离	15m（波特率=9600时）		3900m
控制信号（DE，Drive Enable）	无	可选	有
输入阻抗	3～7kΩ

使用RS422协议的设备间的引脚互相连接示意图：

UART Protocol

UART，即Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发。

在通信和计算机科学中，Serial communication是一个通用概念，泛指所有的串行的通信协议，如RS232、USB、I2C、SPI、1-Wire、Ethernet等。这里的串行（serial），是相对并行通信（parallel communication）来说的，如下图：

广义上讲，UART是指支持RS系列（物理接口）标准和TLL电平的 通信协议。

因为UART更多关注规定编码格式的标准，如 波特率（baud rate）、帧格式 和 波特率误差 等等，所以了解UART时，不可避免需要先在电气特性上区分几个常用的概念，如 TLL电平 和 CMOS电平。

TTL集成电路的主要型式为晶体管-晶体管逻辑门(transistor-transistor logic gate)，TTL大部分都采用5V电源。

TTL电平（参考值） CMOS电平（参考值）

输入高电平 ≥ 2.4V ≈ 0.7*VCC

输入低电平 ≤ 0.4V ≈ 0.3*VCC

输出高电平 ≥ 2.0V ≈ VCC 或＜0.9*VCC

输出低电平 ≤ 0.8V ≈ GND 或 < 0.1*VCC

注：VCC的概念可以参考文章《VCC、VDD、VEE、VSS的区别》，具体输入输出的高低电平范围需要参考芯片及电路的手册。

	TTL电平（参考值）	CMOS电平（参考值）
输入高电平	≥ 2.4V	≈ 0.7*VCC
输入低电平	≤ 0.4V	≈ 0.3*VCC
输出高电平	≥ 2.0V	≈ VCC 或＜0.9*VCC
输出低电平	≤ 0.8V	≈ GND 或 < 0.1*VCC