UART、RS232、RS485 串行通信详解

UART是Universal Asynchronous Receiver / Transmitter的缩写，意即通用异步串行通信接口，是最常用的通信技术之一，广泛用于设备与电脑之间、设备与设备之间、设备内部芯片与芯片之间的通信。以两个5V单片机芯片之间的UART串口通信为例，如图1所示：

图1单片机之间UART通信示意图

图1就体现了两个单片机相互收发信息的结构，GND表示单片机系统电源参考地，即参考基准，通信双方需要基准一致。TXD为发送引脚，RXD为接收引脚。由于串口通信是全双工通信，所以通信线路针对某一片单片机来说，可以只有一条通信线路，只发送不接收，或者只接收不发送；也可以有两条，既发送又接收。

当单片机1想给单片机2发送数据时，比如发送一个0xE4这个数据，用二进制形式表示就是0b11100100，在UART通信过程中，是低位先发，高位后发的原则，那么就让TXD首先拉低电平，持续一段时间，发送一位0，然后继续拉低，再持续一段时间，又发送了一位0，然后拉高电平，持续一段时间，发了一位1……一直到把8位二进制数字0b11100100全部发送完毕。这里就涉及到了一个问题，就是持续的这“一段时间”到底是多久？由此便引入了串口通信中的一个重要概念——波特率，也叫做比特率。

波特率就是发送二进制数据位的速率，习惯上用baud表示，即发送一位二进制数据的持续时间=1/baud。在通信之前，单片机1和单片机2首先都要明确的约定好它们之间的通信波特率，必须保持一致，收发双方才能正常实现通信。

约定好速度后，还要考虑第二个问题，数据什么时候是起始，什么时候是结束呢？在UART通信的时候，一个字节是8位，规定当没有通信信号发生时，通信线路保持高电平，当要发送数据之前，先发一位0表示起始位，然后发送8位数据位，数据位是先低后高的顺序，数据位发完后再发一位1表示停止位。这样本来要发送一个字节的8位数据，而实际上一共发送了10位，多出来的两位其中一位起始位，一位停止位。而接收方呢，原本一直保持的高电平，一旦检测到了一位低电平，那就知道了要开始准备接收数据了，接收到8位数据位后，检测到停止位，再准备下一个数据的接收，如图2所示。

图2 串口数据发送示意图

图2串口数据发送示意图，实际上是一个时域示意图，就是信号随着时间变化的对应关系。比如在单片机的发送引脚上，左边的是先发生的，右边的是后发生的，数据位的切换时间就是波特率分之一秒。要观察到实际的串口通信，也可以用逻辑分析仪或者示波器等仪器测量单片机的串口通信，如图3是通过串口调试助手给单片机发送了一个0xE4数据，使用Kingst LA5016逻辑分析仪测量的一组波特率为9600的串口信号。从图3可以看出，左侧首先是一个起始位低电平（绿圆点标志），然后是8位数据（白圆点标志），低位在左边，高位在右边，最后一位停止位（红方点标志）。

图3 UART串口通信波形

在某些工业应用场景下，经常会遇到9针的串行接口，这个串行接口叫做RS232接口。先来认识一下这个标准串口，在物理结构上分为9针的和9孔的，习惯上我们也称之为公头和母头，如图4所示。

图4 RS232通信接口

RS232接口一共有9个引脚，分别定义是：1、载波检测DCD；2、接收数据RXD；3、发送数据TXD；4、数据终端准备好DTR；5、信号地线SG；6、数据准备好DSR；7、请求发送RTS；8、清除发送CTS；9、振铃提示RI。

要让这个串口与单片机UART通信，只需要关心其中的2脚RXD、3脚TXD和5脚GND。虽然这三个引脚的名字与单片机上的串口名字一样，但是不能直接与单片机对连通信。对于RS232标准来说，它是个反逻辑，也叫做负逻辑。为何叫负逻辑？它的TXD和RXD的电压，-3V～-15V电压代表是1，+3～+15V电压代表是0。低电平代表的是1，而高电平代表的是0，所以称之为负逻辑。使用Kingst LA5016逻辑分析仪测量RS232波形如图5所示，在负逻辑的配置下，没有信号的时候为低电平，一位高位起始位（绿圆点标志），8位数据位（白圆点标志），1位停止位（红方点标志），高电平代表‘0’，低电平代表‘1’，解析的数据是0xE4。

图5 RS232串口通信波形

因为RS232电平是负逻辑，且电平值可以高达十几V，而通常单片机引脚是兼容的TTL电平标准。那么RS232接口想要与单片机相连接，就需要用一个电平转换芯片(比如MAX232)来完成，如图6所示。

图6 典型的TTL到RS232电平转换电路

在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域，通常情况下是采用串口通信的方式进行数据交换。最初采用的方式是RS232接口，由于工业现场比较复杂，各种电气设备会在环境中产生比较多的电磁干扰，会导致信号传输错误。除此之外，RS232接口只能实现点对点通信，不具备联网功能，最大传输距离也只能达到十几米，不能满足远距离通信要求。而RS485则解决了这些问题，数据信号采用差分传输方式，可以有效的解决共模干扰问题，最大距离可达1200米，并且允许多个收发设备接到同一条总线上。

RS485采用差分信号进行通信，总线由2条线组成，分别命名为A和B，当A端电平大于B端电平时代表1，B端电平大于A端电平时代表0。所以RS485也不能直接与单片机引脚直接连接，而是需要专用的RS485转接芯片才可以与单片机UART接口连接，如图7所示。

图7 典型的TTL到RS485电平转换电路

MAX485芯片5脚和8脚是电源引脚；6脚和7脚就是RS485通信中的A和B两个引脚；1脚和4脚分别接到单片机的RXD和TXD引脚上，使用单片机UART进行数据接收和发送；2脚和3脚是方向引脚，其中2脚是低电平使能接收器，3脚是高电平使能输出驱动器，可以把这两个引脚连到一起，平时不发送数据的时候，保持这两个引脚是低电平，让MAX485处于接收状态，当需要发送数据的时候，把这个引脚拉高，发送数据，发送完毕后再拉低这个引脚就可以了。为了提高RS485的抗干扰能力，通常会在总线的两端，在A和B之间并接一个120Ω的电阻。

UART、RS232、RS485在通信的数据格式上是相同的，三者区别主要是逻辑电平的判定方式不同。RS232与RS485在经过专用的电平转换芯片转成TTL电平后就与标准的UART相同了，可以同样由单片机的UART外设来实现通信数据的收发。