上一篇文章系統(tǒng)的講了一下通信的分類，包括并行通信，串行通信。串行通信的分類，包括同步通信，異步通信。

這篇文章我們主要講一下 UART

串口編程，我們并不陌生。之前講過RS485通信，參看：UNIX再學(xué)習(xí) -- RS485 串口編程

再者，參看：日常生活小技巧 -- UART 回環(huán)測試

一、基本概念

參看：UART -- 維基百科

UART 是 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器（異步串行通信口）的英文縮寫，它包括了RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即UART是異步串行通信口的總稱。 而RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等，是對應(yīng)各種異步串行通信口的接口標(biāo)準(zhǔn)和總線標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了通信口的電氣特性、傳輸速率、連接特性和接口的機(jī)械特性等內(nèi)容。實際上是屬于通信網(wǎng)絡(luò)中的物理層（Physical Layer）的概念，與通信協(xié)議沒有直接關(guān)系。而通信協(xié)議，是屬于通信網(wǎng)絡(luò)中的資料鏈接層（Data Link Layer）的概念。 COM是PC（個人計算機(jī)）上，異步串行通信口的簡寫。由于歷史原因，IBM的PC外部接口配置為RS232，成為實際上的PC界默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。所以，現(xiàn)在PC機(jī)的COM均為RS232。若配有多個異步串行通信口，則分別稱為COM1、COM2... 。

二、UART數(shù)據(jù)傳輸格式

在講之前先感慨兩句，UART這部分的總結(jié)，真真的網(wǎng)上看了好多的資料。但都講的很零碎，沒有個所以然?？吹奈液芗m結(jié)，不知道從何講起。

還好我們之前有講過串口編程，并非對 UART一無所知。那就從 TTL 和 RS232 電平說起。

（1）TTL 和 RS232 電平

RS232 電平

邏輯1：-3V~-15V

邏輯0：+3V~+15V

TTL 電平

邏輯1：+2V~+5V

邏輯0：+0V~+0.8V

TTL 電平和 RS232 電平我會再開一篇詳細(xì)來講。這里就是要了解一下SP3232 芯片。

我們查看原理圖，串口電路部分：

你能區(qū)分 SP3232 芯片引腳哪邊是TTL電平，哪邊是 RS232 電平嗎？（傻紙問題，哈哈）

我們介紹UART基本概念的時候，也提到了現(xiàn)在PC機(jī)的COM均為RS232，但是單片機(jī)的電平是TTL電平。

所以要用一個電平轉(zhuǎn)化芯片 SP3232，然后使得單片機(jī)和PC通過串口進(jìn)行通信。

上圖標(biāo)的很清楚啦，PC_TXD0、PC_RXD0 在PC端，為RS232電平。

（2）數(shù)據(jù)傳輸格式

空閑位： 從一個字符的停止位結(jié)束到下一個字符的起始位開始，表示線路處于空閑狀態(tài)，為邏輯 1。

起始位：必須是持續(xù)1bit時間的邏輯 0 電平，標(biāo)志著傳輸一個字符的開始，接收方可用起始位使自己的接收時鐘與發(fā)送方的數(shù)據(jù)同步。

數(shù)據(jù)位：緊跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。數(shù)據(jù)位的位數(shù)可以由通信雙方共同約定，一般可以是5位、6位、7位或8位，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0~127（7位），擴(kuò)展的ASCII碼是0~255（8位）。傳輸數(shù)據(jù)時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

    這里有幾個知識點需要知道：

    ASCII 碼，參看：C語言再學(xué)習(xí) -- ASCII碼表（轉(zhuǎn)）

    MSB 和 LSB，參看：C語言再學(xué)習(xí)-- 大端小端詳解（轉(zhuǎn)）

    思考：

    傳輸數(shù)據(jù)時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

    因為通常我們的PC是小端的，如果沒有另外說明，通?？梢约俣〝?shù)據(jù)首先傳輸最低有效位（LSB）。

    在標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼中 127 轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制為 0111 1111，即最有效高位一直為 0。只需傳輸 7 位即可

    在擴(kuò)展ASCII碼中 255 轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制為 1111 1111，需要傳輸 8 位。

校驗位：奇偶校驗位僅占一位，用于進(jìn)行奇校驗或偶校驗，奇偶檢驗位不是必須有的。如果是奇校驗，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有奇數(shù)個邏輯高位；如果是偶校驗，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有偶數(shù)個邏輯高位。

    這里有幾個知識點需要知道：

    校驗位可分為NONE（無校驗位）、ODD（奇校驗）、EVEN（偶校驗），一般多為無校驗位。

    奇偶校驗，參看：奇偶校驗 -- 百度百科   

    奇偶校驗位是一個表示給定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)中 1 的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)的二進(jìn)制數(shù)。奇偶校驗位是最簡單的錯誤檢 測碼。奇偶校驗位有兩種類型：偶校驗位與奇校驗位。如果一組給定數(shù)據(jù)位中 1 的個數(shù)是奇數(shù)，那么偶校驗位就置為 1，從而使得總的 1 的個數(shù)是偶數(shù)；如果給定一組數(shù)據(jù)位中 1 的個數(shù)是偶數(shù)，那么奇校驗位就置為 1，使得總的1 的個數(shù)保持奇數(shù)不變。

    舉個栗子：假設(shè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位為 01001100，如果是奇校驗，則奇校驗位為0（要確保總共有奇數(shù)個1），如果是 偶校驗，則偶校驗位為1（要確?？偣灿信紨?shù)個1）

    如果是采用奇校驗，在傳送每一個字節(jié)的時候另外附加一位作為校驗位，校驗位在數(shù)據(jù)位后面，當(dāng)實際數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)為偶數(shù)的時候，這個校驗位就是“1”，否則這個校驗位就是“0”，這樣就可以保證傳送數(shù)據(jù)滿足奇校驗的要求。在接收方收到數(shù)據(jù)時，將按照奇校驗的要求檢測數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)，如果是奇數(shù)，表示傳送正確，否則表示傳送錯誤。

    如果傳輸過程中包括校驗位在內(nèi)的奇數(shù)個數(shù)據(jù)位發(fā)生改變，那么奇偶校驗位將出錯表示傳輸過程有錯誤發(fā)生。因此，奇偶校驗位是一種錯誤檢測碼，但是由于沒有辦法確定哪一位出錯，所以它不能進(jìn)行錯誤校正。發(fā)生錯誤時必須扔掉全部的數(shù)據(jù)，然后從頭開始傳輸數(shù)據(jù)。在噪聲很多的媒介上成功傳輸數(shù)據(jù)可能要花費很長的時間，甚至根本無法實現(xiàn)。但是奇偶校驗位也有它的優(yōu)點，它是使用一位數(shù)據(jù)能夠達(dá)到的最好的校驗碼，并且它僅僅需要一些異或門就能夠生成。奇偶校驗被廣泛應(yīng)用。

停止位：可以是是1bit、1.5bit或2bit，可以由軟件設(shè)定。它一定是邏輯 1 電平，標(biāo)志著傳輸一個字符的結(jié)束。

    由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供 計算機(jī)校正時鐘同步的機(jī)會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

（3）舉例說明TTL電平和RS232電平數(shù)據(jù)傳輸格式的不同

上面我們提到了 TTL 電平和 RS232 電平的邏輯電平是不同的，那么接下來我們舉個栗子。

例如，對于16進(jìn)制數(shù)據(jù)55aaH，當(dāng)采用8位數(shù)據(jù)位、1位停止位傳輸時，無校驗位。（先傳第一個字節(jié)55，再傳第二個字節(jié)aa，每個字節(jié)都是從低位向高位逐位傳輸）。我們來看它在一下 TTL 電平和 RS232 電平的信號線上的波形。

《1》TTL電平的串行數(shù)據(jù)幀格式

對于正邏輯的 TTL 電平，起始位是邏輯 0 為低電平；停止位和空閑位是邏輯 1 為高電平。

《2》RS-232電平的串行數(shù)據(jù)幀格式

對于正邏輯的 RS232 電平，起始位是邏輯 0 為高電平；停止位和空閑位是邏輯 1 為低電平。

上面提到 UART 包括了RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

我們最常見的是 RS232、RS485、RS422 這三個。下面我們一一的來詳細(xì)講解一下。

三、RS232

（1）接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-232是美國電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，原始編號全稱是EIA-RS-232（簡稱232，RS232）。它被廣泛用于計算機(jī)串行接口外設(shè)連接。

RS-232-C接口(又稱EIARS-232-C)是目前最常用的一種串行通訊接口。(“RS-232-C”中的“-C”只不過表示RS-232的版本，所以與“RS-232”簡稱是一樣的)。

RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。由于其發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負(fù)載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。

（2）常見連接器

常見的有 DB9 和 DB25，并且連接器分公/母頭。

《1》DB9

首先它相關(guān)器件有很多。這里只是介紹最常見的。

DB9針串口魚叉式公頭母頭：

DB9針串口焊板式公座母座：

串口線延長母對母/公對母/公對公：

講到串口線，它有交叉線與直通線之分：

參看：串口線-交叉線與直通線之分

1：串口交叉線

串口線兩頭都一樣都相同。都是公對公或者母對母串口線，這種線必須是交叉線。一端的第二針與另一端的第三針是通路的，說明此線是交叉線。

以下是判斷方法：

2：串口直通線

如果用戶串口設(shè)備與串口服務(wù)器連接使用公對母串口線，那必須使用公對母直通線。

一端公頭的2對應(yīng)，另一端母頭的2，一端母頭的3對應(yīng)另一端公頭的3.

DB9針串口焊板式PCB元件封裝：

最后示例分析串口直通和交叉之分：

以聯(lián)想臺式機(jī)為例，通常PC上的串口為公頭的：

或者筆記本電腦，通常用的 USB轉(zhuǎn)串口線，也是公頭的：

1：串口交叉線

2：串口直通線

引腳定義：

公頭：

母頭：

Pin2 TXD

Pin3 RXD

Pin5 GND

《2》DB25

（3）RS232收發(fā)器

這類芯片也有不少，我們就講上面提到的 SP3232，查看相關(guān)手冊和原理圖。

《1》特性

滿足EIA/TIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，工作電壓為+3.0V到+5.5V

滿載最小數(shù)據(jù)速率：120Kbps

1uA的低功耗關(guān)斷模式，接收器（SP3222E）有效

可與RS-232共同使用，電源低至+2.7V 

增強(qiáng)型ESD規(guī)范：  

±15kV人體放電模式 

±15kV IEC1000-4-2氣隙放電 

±8kV IEC1000-4-2接觸放電

《2》封裝

《3》引腳說明

《4》相關(guān)電路圖

四、RS485

（1）接口標(biāo)準(zhǔn)

電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1983 年制訂并發(fā)布RS-485 標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)通訊工業(yè)協(xié)會（TIA）修訂后命名為TIA/EIA-485-A，習(xí)慣地稱之為RS-485 標(biāo)準(zhǔn)。

它是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信，而采用四線連接時，與RS-422一樣只能實現(xiàn)點對多的通信，即只能有一個主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進(jìn)，無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個設(shè)備。

RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12kΩ、RS-422是4kΩ；由于RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動器可以在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s。[2] 

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)是為彌補(bǔ)RS-232 通信距離短、速率低等缺點而產(chǎn)生的。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了平衡發(fā)送器和接收器的電特性，而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議。

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)與RS-232 不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式（Differential Driver Mode），作用是可以抑制共模干擾。

（2）485轉(zhuǎn)232接口

上面提到了，標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定接插件，所以一般都是引出四根線：VCC，GND，TXD，RXD

常用的還有 485轉(zhuǎn)232轉(zhuǎn)換器

（3）RS485收發(fā)器

這里主要講一下 SP3485

《1》特性

RS-485和RS-422收發(fā)器 

工作電壓為+3.3V  

可與+0.5V的邏輯電路共同工作 

驅(qū)動器/接收器使能 z 

低功耗關(guān)斷模式（SP3481） 

-7V～+12V的共模輸入電壓范圍 

允許在同一串行總線上連接32個收發(fā)器 

與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)75176管腳配置兼容 

驅(qū)動器輸出短路保護(hù)

《2》電路圖和引腳

引腳說明：

Pin1－RO－接收器輸出。

Pin2－RE－接收器輸出使能（低電平有效）。

Pin3－DE－驅(qū)動器輸出使能（高電平有效）。

Pin4－DI－驅(qū)動器輸入。

Pin5－GND－連接地。

Pin6－A－驅(qū)動器輸出/接收器輸入（同相）。

Pin7－B－驅(qū)動器輸出/接收器輸入（反相）。

Pin8－Vcc

注意：將AB間120歐姆去掉，如果采用阻抗匹配的電纜，300米以內(nèi)幾乎可以不用加終端電阻。加終端電阻的缺點就是增大了線路的無用功耗，尤其是電池系統(tǒng)供電時，降低了電池的續(xù)航能力。我一開始沒有將它去掉，導(dǎo)致只能發(fā)送數(shù)據(jù)，無法接收數(shù)據(jù)。

五、RS422

我用的并不多，所以只是簡單簡紹一下：

標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。典型的RS-422是四線接口。實際上

還有一根信號地線，共5根線。其DB9連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Slave），從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是10×4k+100Ω（終接電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現(xiàn)。

RS-422的最大傳輸距離為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。

六、三者比較

參看：串行通信的基礎(chǔ)知識- RS-232C / RS-422 / RS-485 -

七、需要了解的小知識點

雙絞線，參看：雙絞線 -- 百度百科

差分布線，參看：Altium Designer -- 差分布線原則

如何差分布線，參看：Altium Designer -- 精心總結(jié)

八、總結(jié)

擴(kuò)展閱讀：

Serial Communication

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART)

The USART of the AVR

Serial and UART Tutorial