【嵌入式】常用串口协议与转换芯片详解

0 前言

  最近有点想研究USB协议，正好也看到有评论说对如何选择USB转串口模块有些疑惑，其实我也一直很想写一篇关于串口的总结式的文章，借此契机来完善一下。

1 一个通信的协议的组成

  所谓通信协议，顾名思义，其本质就是一个协议，即一个约定，大家约定好通信的一些标准，这样大家就能根据这个标准来设计并生产产品，而避免了A产品不兼容B这样的情况发生。
  那不妨先想一下，一个通信协议需要规定哪些内容呢？
  一般来说，主要包括三个方面：

• 物理属性  主要是约定插头或接口的外在特性。包括这个插头长啥样（物理形状），有几个引脚（引脚定义）等等。
• 逻辑属性  逻辑属性主要是约定这个协议传输数据时的时序。因为在实际传输数据过程中，并不是直接把需要传输的数据依次传输的，这样接收端就不知道从哪里开始接收，数据传输就会错乱，因此往往是把数据切分为小块然后加上一些固定的字符，组成“一帧”，再传输，同样接收端也按照约定好的帧格式来进行解析。这样数据传输才能有序进行。
• 电气属性  在常见的串行数据传输协议中，都是传输数字信号，即用0 和 1来表示需要传输的数据，因此就需要明确多少电压代表0，多少电压代表1。

以下的内容也将按照上述思路来进行展开。

最后，再简单解释一些基本名词的概念：

• 单工：指信息传输是单向的，只能由A到B，不能B到A
• 双工：信息传输是双向的，A B之间可以交互信息
• 半双工：首先信息传输是双向的，但不能同时进行，即要么A给B传，要么B给A传，二者不能同时进行。
• 全双工：不仅信息传输是双向的，还可以同时进行。

2 常用协议名词解释

2.1 UART

  对于玩单片机的同学来说，UART可能是接触的最早的串行通信协议了，基本每个单片机都有TXD，RXD两个引脚，此即所谓的Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，异步串行通信。

• 物理属性：接口方面一般没什么要求，可以根据自己的需求自定义，但一般来说是三根线：RXD，TXD，GND，有时会加上电源信号VCC。
• 逻辑属性：即数据传输时的时序，这个可能是我们最关注的信息了。也是代码编写的主要内容体现：设置波特率、设置几位数据位，是否有奇偶校验等，即所谓的配置串口。
• 电气属性：采用正逻辑电平，即5V/3.3V为1；0V为0。这即是所谓的TTL电平，所以一般来说，单片机串口也叫TTL。

  实际上现在大多数单片机使用的都是CMOS电路，电平容限比TTL要大一些，但由于TTL出现较早，目前仍然把这种电平称为TTL电平。

总结：
  UART没有规定接口的具体样式，只是规定了引脚，所以在实际使用中比较灵活。但是引脚的电平要注意和单片机的电源保持一致，要注意区分3.3V和5V。UART是单片机中的基础外设，一般称之为串口，通过USB转TTL模块可以实现单片机与上位机之间的通讯。

2.2 RS-232

  RS-232其实是出现比较早且应用较为广泛的标准。由美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）联合多家公司于1970年制定，目前最新的标准是RS232C（前面是A和B）。所谓RS，即Recommended Standard，推荐标准，232为标识号。

• 物理属性：RS232规定了25根线，但其实常用的只有9根线（另外16根线包括：①9根线电流环信号，目前很少设备使用这些引脚；②6个空引脚；③一个保护地信号），这也是为什么目前很多RS232的接口都是DB9，而很少见到DB25的插头。DB9插头如下图所示。
  
  形状和VGA接口很像，但只有9个针脚。这9个针脚定义如下所示

其中，前面三根线为必须的线，后面6根线其实都是流控信号，在实际使用时其实不一定会使用。

• 逻辑属性：值得一提的是，RS232的时序其实和上面提到的UART是一样的，也需要设置波特率、数据位、校验位、停止位等。但是需要注意的是，RS232波特率设置一般不超过19200，因为RS232传输的上限为20kbps。
• 电气属性：RS-232采用负逻辑电平，逻辑1：-15V ~ -3V 逻辑0：+3V ~ +15V

总结
  RS-232是一种全双工通信方式，时序和UART相同，只是电气属性存在差异。此外，它只能实现单点通信，且最大通信速率为20kbps，最大通信距离为15m。

2.3 RS-485

• 物理属性：RS-485是通过差分线路传输，所以一般是需要两根线（最多加上一个参考地线），一般是使用双绞线，这样可以尽可能减少干扰。也因此其传输距离要更远，可以达到4000英尺（约1219米），最高传输速率可以达到10Mbps（40英寸内，约12.2米）
• 逻辑属性：由于是差分信号线，所以要看两个引脚之间的电压之差，从而来判断是逻辑0还是逻辑1。
• 电气属性：这两根线一根是A，一根是B，要求这两根线上的电压为-7 ~ +12V，发送端要求至少提供1.5V的差分电压，而接收端要求两根线上的压差至少为200mV，当AB线压差≥200mV时，识别为逻辑1；当AB线压差＜200mV时，识别为逻辑0.

总结
  相比于RS-232的单点通信，RS-485支持总线通信，总线上最大可以挂载32个设备（这个数字好像和总线阻抗大小有关）。RS-485属于半双工通信协议。

2.4 RS-422

  RS-422其实就是两组485，一对发一对收，因此需要4根线，实现了全双工通信。但是其实RS-422是基于RS-232提出的，比RS-485要早一些。虽然422和485都是差分信号传输，但它的电气特性和485有所差别。
  RS-422也支持总线挂载多个设备，但没有485那么多，只支持10个设备，最大传输距离与最大传输速率和RS485一样。

2.5 比较

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3 常用的芯片

  USB转串口常用的芯片有CH340，CP2102、FT232、PL2303，这些都是可以直接使用的，具体用法建议参考官方的手册，主要是看其中的示例电路用法。

  而MAX232需要注意的是，它的作用是电平转换，即把TTL电平和RS-232电平进行互转，因此一般还需要再接一个USB转串口的协议才能和电脑USB进行通信。
  由于MAX232使用方式用途比较单一，且使用较为简单，这里简单记录一下MAX232的相关内容，避免以后再查。

• 首先是使用方面，MAX232的基本使用如下图所示。
  
  先看外围器件，可以发现只有四个电容，其中C1+、C1-之间一个；C2+、C2-之间一个，然后V+与电源电容隔离；V-与地之间也是电容隔离。另外电源和地之间的电容算是可选项。
  再来看信号流向。需要注意，这里的IN和OUT是基于芯片说的，1和2代表两组转换端口，T和R分别接对应的TX和RX端口，至于哪个是IN哪个是OUT就需要分析一下信号流向了。

• 另外，我好奇的一个点是，MAX232是怎么实现电平转换的。根据上面的内容，RS-232协议是负逻辑，即-3~-15是1；3~15是0，升压好说，但是这个负压是怎么产生的。通过查找资料发现它内部是通过电荷泵来实现升压，而外围的电容就充当了能量存储的容器。而负压的实现其实也简单，因为只需要改变参考电压即可，那么自然就会有负压了。

• 一般来说，电脑上的RS-232串口电压是12V，而MAX232在使用时，V+会产生+10V的电压，V-会产生-10V的电压（如果功耗不是很大的话，这个芯片一定程度上可以当作稳压芯片来使），足够满足电脑的电平需求。