RS232、RS485和TTL电平与串行通信

RS232、RS485和TTL

作为一个底层软件开发工程师，经常会碰到RS232、RS485和TTL这一类的问题。

之前总是碰到问题之后Google一下，把当下的问题解决了之后就不管了，过个一两天就忘得一干二净，结果后续每次都会碰到类似的问题，都是从零开始地去解决，这种方式看起来当时快速解决了问题，结果在后续的开发中浪费了更多的时间。

为了解决这个问题，博主决定一次性把这些东西给弄清楚

串行通信

串行通信是指 使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。

其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的短距离通信。

串行通信在传输方式上分为同步通信和异步通信，在传输方向上分为单工通信，半双工通信，全双工通信。

同步通信

顾名思义，同步通信需要通信双方进行数据同步，一般表现为通信双方在时钟线上的统一,双方在在数据的收发上是同时的，根据时钟线的跳变来操作数据线实现发送(读取)，常用的同步协议有SPI I2C。

异步通信

异步通信不需要建立数据同步即可传输数据，发送方按照一定的协议格式来发送数据，接收方接收到数据再根据协议进行解析，双方的收发不需要同时进行，也不需要进行传输时的校验，RS232，485和UART就属于这一类。

同步通信和异步通信的比较

在这里，我们不妨可以先思考一下，同步通信和异步通信最根本的区别是什么？

同步通信，通信双方遵循相同的时钟，每一个帧数据的收发都是需要经过双方共同确认，然后再进行下一帧传输。

而异步通信则不然，在发送发看来，需要发送数据的时候，只负责把数据发出去就行了，接受方到底收没收到或者怎么解析不需要发送方操心。

从上述的原理上的区别出发，我们以发送0x55(01010101b)为例，可以发现两者通信的区别：

在同步发送中，数据线上只需要根据时钟发送数据01010101，接收方同时也可以根据时钟来解析收到的数据。

但是在异步发送中，因为没有时钟同步，如果发送方仅仅将数据01010101发送出来，接收方无法解析接收到的数据。原因有两个：

1. 接收方不知道数据是以一个什么样的间隔时间发送过来的，可能发送方的时钟频率和配置决定了发送为1bit/us，但是接收方的时钟配置不一致，就出现解析错误。

2. 接受方无法判断数据的开始和结束，如果数据线的默认电平为高，发送数据的第一位也为高，将难以判断数据是从哪里开始。

所以，针对这两个问题，异步通信提出了两个相应的解决方案：

1. 通信双方遵循相同的传输速率，即波特率
2. 在通信协议中加入开始位，结束位，校验位以实现数据的接收时解析。

同步通信和异步通信的优劣

• 可以看出，同步通信中的数据传输效率(注意是效率，非速率)要高于异步传输，同步传输效率一般能达到100%，而异步传输中传输的数据并非全是有效数据，像串口协议中，常用配置中(1停止位，无校验)传输一个字节需要传送10bit。

• 在更复杂的应用中，同步传输可以做到点对多点的传输，多点可以共用一个时钟线，可以轻松实现一点写，多点读的操作。而在异步通信中，无法确定接收方接收数据的时间，所以不适用于点对多点的传输。

• 在相同的时钟频率下，传输效率高的同步通信自然能达到更高的数据吞吐量。

• 异步传输在传输效率上比同步传输低，但是同时也省去了同步所需要的时间，尤其是在远距离传输时，时钟同步所带来的开销也是不容忽视的，所以在长距离的传输中，一般使用异步通信，如RS485就支持KM级别的距离传输，而SPI I2C一般都用于板级通信。

• 异步传输不需要时钟线，更容易实现且节省资源。

单工通信

单工即单向通信，在整个数据传输的过程中只允许定向地传输数据

半双工通信

双工即双向通信，半双工指的是在同一时刻，只允许一个方向的发送接收，就像两个人打电话，A可以对B说话，B可以对A说话，但是A/B不能同时说话，那样会造成混乱。

全双工通信

全双工通信就是允许数据在两个方向上同时传输。数据的收和发之间不会相互影响。

RS232 RS485 TTL电平

RS232 RS485 TTL同属于异步串行通信，这三种通信方式本质上是电平逻辑的区别。

RS232

RS232多用于电脑的串口，目前使用最广泛的就DB9接口，即九线接口，目前一般的电脑主机后面都会有这样的接口.

RS232电平采用负逻辑,

-15V ~ -3V  代表逻辑1
+3V  ~ +15V 代表逻辑0
-3V  ~ +3V  无意义

在早期还有DB25线的接口，后来IBM将标准改成9线接口。

这种信号传输方式决定了一根数据线即可实现数据传输，所以两根信号线(TX RX)即可实现全双工地数据传输,上图中的其他信号脚类似于RTS/CTS等都是用于差错控制，在较简单的应用中只需要GND RX TX即可。

RS232电平传输方式有一些明显的缺点：

1. 接口的信号电平值相对太高，容易损坏接口电路的芯片。
2. 传输速率比较低，在异步传输时，波特率只有20Kbps。
3. 接口使用一根信号线和一根信号返回线回路构成共地的传输模式，很容易产生共模干扰，所以抗噪声比较弱。
4. 由于抗干扰能力弱，易产生共模干扰，所以传输距离并不远。
   针对RS232在这些方面的不足，于是不断出现了一些新的标准，其中RS485是使用比较广泛的标准。

RS485

RS485多用于长距离传输的应用场景，大多数是在工业场景中，RS485电平逻辑采用差分电平，即传输数据至少需要两根信号线，根据两根信号线电压的差值来确定电平逻辑，发送端电平：

+2V ~ +6V  代表逻辑1
-2V ~ -6V  代表逻辑0
其他       无意义

接收端电平：
> +200mv 代表逻辑1
< -200mv 代表逻辑0
其他 无意义
由于在传输数据时需要两根信号线同时工作，所以RS485只能做到半双工通信，在RS232上依然有以下优化：

• 差分信号抗干扰能力强
• 传输距离大大加长，可以达到KM级别的传输
• 相对应RS232而言可以支持多点传输甚至联网构成分布式系统。
• 传输速率可达到10M/bps。

TTL电平

目前我们熟知的单片机基本上都是使用的TTL电平的信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的通信标准。

TTL集成电路的全名是晶体管-晶体管逻辑集成电路（Transistor-Transistor Logic)。在传统的单片机系统中，VCC(供电电压)为5V，电平标准为：

输出：
小于0.8V  代表逻辑0
大于2.4V  代表逻辑1
输入：
小于1.2V  代表逻辑0
大于2.0V  代表逻辑1
其他      无意义

因为2.4V和5V之间还有很大的空闲，白白增加了系统的功耗，同时影响了速度，所以来后就把一部分砍掉了，也就是后来的LVTTL，LVTTL又分为3.3V、2.5V甚至更低电压的LVTTL(Low Voltage TTL).在3.3V LVTTL,Vcc = 3.3V中，电平标准为:
输出：
大于2.4V 代表逻辑1
小于0.4V 代表逻辑0
输入：
小于0.8V 代表逻辑0
大于2V 代表逻辑1
其他 无意义
TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉。

TTL电平无法进行长距离传输，抗干扰能力弱，信号衰减较大。

TTL电平为逻辑电平而设计，基本用于板级通信，单片机基本上都使用TTL信号系统。

无意义的电平

在上面的电平描述中，都提到了无意义的电平，事实上在数据的接收中，如果接收到一个无意义的电平，这时候的逻辑输出是不确定的，有可能是正确的，有可能是错误的。

例如，RS232的系统中，需要传输数据0x55(01010101b)，但是在传输过程中由于干扰，最低位的数据1电平在接收端为0V，即无意义电平，其他位正常，这时候在接收端的解析中可能出现接收数据为0x54和0x55的结果，即无意义电平的解析是不确定的，可能是正确结果，也可能不是。

串行通信流控

串行通信中的流控制

这里讲到的流，指的是数据流，数据在两个串口之间传输时，常常出现一些意料之外的情况，比如通信双方速率不一致，又或者是接收端缓冲区溢出导致数据丢失等等。

流控制专门为了解决这些问题而生，例如，当接收端的数据处理不过来时，就可以发出“不再接收”的信号，发送端收到信号马上停止发送，等接收端可以继续接收之后，再发送“继续接收”的信号提醒发送端继续发送。

流控制一般分为硬件流控制和软件流控制，顾名思义，硬件流控制需要硬件上的支持，常用的有rts/cts,dts/cts信号线，流控制的信号在这些信号线上传输，而软件流控制则是由软件来实现，在传输过程中定义特殊字段来作为流控制信号。

硬件流控制

硬件流控制必须将相应的电缆线连上，用rts/cts(请求发送/清除发送)流控制时，应将通讯两端的rts、cts线对应相连，数据终端设备(如计算机)使用rts来起始调制解调器或其它数据通讯设备的数据流，而数据通讯设备(如调制解调器)则用cts来起动和暂停来自计算机的数据流。

这种硬件握手方式的过程为：

在编程时根据接收端缓冲区大小设置一个高位标志(可为缓冲区大小的75％)和一个低位标志(可为缓冲区大小的25％)，当缓冲区内数据量达到高位时，我们在接收端将cts线置低电平(送逻辑0)。

当发送端的程序检测到cts为低后，就停止发送数据，直到接收端缓冲区的数据量低于低位而将cts置高电平。

rts则用来标明接收设备有没有准备好接收数据。

软件流控制

由于电缆线的限制，我们在普通的控制通讯中一般不用硬件流控制，而用软件流控制。一般通过xon/xoff来实现软件流控制。

常用方法是：当接收端的输入缓冲区内数据量超过设定的高位时，就向数据发送端发出xoff字符(十进制的19或control-s，设备编程说明书应该有详细阐述)，发送端收到xoff字符后就立即停止发送数据；当接收端的输入缓冲区内数据量低于设定的低位时，就向数据发送端发出xon字符(十进制的17或control-q)，发送端收到xon字符后就立即开始发送数据。一般可以从设备配套源程序中找到发送的是什么字符。

但是这种流控制仅仅适用于字符流传输的情况，如果是传输二进制数据，很可能数据内容中就带有xoff字符导致出现差错，所以软件流控制还是有比较大的缺陷。

不同电平之间的相互转换

在嵌入式的软件开发过程中，经常要用到不同设备之间的串口通信，既然这些串口分属于不同的电平信号系统，自然是不能直接进行通信的。

比如：将RS232的TX连接到TTL电平的RX时，发送端发送逻辑0信号为+10V，但是+10V的信号很可能直接将TTL端的芯片损坏，因为TTL端只支持0~5V的电平，所以在双方进行通信的时候，需要对电平进行转换才能进行通信。

对于电平的转换，网上已经有非常成熟的方案可以直接使用：

好了，关于串行通信的问题讨论就到此为止了，如果朋友们对于这个有什么疑问或者发现有文章中有什么错误，欢迎留言

个人邮箱：linux_downey@sina.com
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祝各位早日实现项目丛中过，bug不沾身.
（完）

TTL电平部分参考：https://blog.csdn.net/lijiuyangzilsc/article/details/48599745