一、串行通信與并行通信的概念

1、串行通信

串行接口簡稱串口，也稱串行通信接口或串行通訊接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的擴(kuò)展接口。串行接口 （Serial Interface）是指數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送。串口可以算是一個泛稱，一般指代的是串口時序標(biāo)準(zhǔn)。UART、RS232、RS485、TTL都遵循著類似的通信時序協(xié)議，因此都被通稱為串口。

串行通信（serial communication）是指計算機(jī)主機(jī)與外設(shè)之間以及主機(jī)系統(tǒng)與主機(jī)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的串行傳送。使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計算機(jī)與計算機(jī)、計算機(jī)與外設(shè)之間的遠(yuǎn)距離通信。串行通信按照發(fā)送時鐘源和接收時鐘源是否需要保持一致，又可分為同步通信和異步通信兩種。

2、并行通信

并行通信（Parallel communication）就是指數(shù)據(jù)的每一位同時在多根數(shù)據(jù)線上發(fā)送或者接收。可以以字或字節(jié)為單位并行進(jìn)行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。計算機(jī)或PLC各種內(nèi)部總線就是以并行方式傳送數(shù)據(jù)的。

總結(jié)：串行通信是一種概念，是指一個bit一個bit的收發(fā)數(shù)據(jù)，相對于并行通信可一次性可以同時收發(fā)n個bit而言。包括普通的串口通信，包括IIC，包括SPI等等。串口通信是一種通信手段/方式，是相對于以太網(wǎng)方式、紅外方式、藍(lán)牙方式、usb方式（usb廣義也算串行通信）等而言，是一種比較低級的通信手段。

二、UART

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），意為通用異步收發(fā)傳輸器，該總線雙向通信，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。UART包含TTL電平的串口和RS-232電平的串口，使用UART通信的雙方設(shè)備都需要遵從UART協(xié)議。

UART是串行通信的一種，重點是異步，和同步相對應(yīng)，意思是不需要同步的時鐘，通信兩端預(yù)先約定bit的傳輸速率（每秒傳多少bit），而不是由時鐘觸發(fā)的。

在嵌入式設(shè)計中，UART用于主機(jī)與輔助設(shè)備通信。UART是實現(xiàn)串口收發(fā)的邏輯電路（硬件形式），這部分可以獨立成芯片，也可以作為模塊嵌入到其他芯片里，單片機(jī)、SOC、PC里都會有UART模塊，例如STM32單片機(jī)里有兩種UART模塊，USART和UART，前者可以同步通信，而后者只能異步通信。一般電腦是沒有uart接口的(ttl電平)，我們可以通過電腦的usb接口和單片機(jī)通信，只需一個usb轉(zhuǎn)串口模塊插到usb接口上，裝上驅(qū)動，另一邊接單片機(jī)即可。有很多可以usb協(xié)議轉(zhuǎn)為串口協(xié)議的芯片，如ch340，cp2102，pl2303等。

1、TX --數(shù)據(jù)發(fā)送接口
2、RX --數(shù)據(jù)接受接口

兩個設(shè)備間將TX與RX相連，RX與TX相連即可正常工作。

三、TTL電平

TTL是Transistor-Transistor Logic的簡寫，是一種電平邏輯，晶體管-晶體管邏輯。通常我們采用二進(jìn)制來表示數(shù)據(jù)，為了表示二進(jìn)制，需要用高低電平表示這些二進(jìn)制數(shù)，3.3V/5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”。UART特指單片機(jī)的UART端口，使用的就是TTL電平。嵌入式里面說的串口，一般是指UART口，而TTL、RS-232、RS-485是指的電平標(biāo)準(zhǔn)(電信號)。

1、標(biāo)準(zhǔn)TTL電平邏輯

輸出電路：電壓大于等于（≥）2.4V為邏輯1；電壓小于等于（≤）0.8V為邏輯0；
輸入電路：電壓大于等于（≥）2.0V為邏輯1；電壓小于等于（≤）1.2V為邏輯0；

2、CMOS電平

輸出電路：電壓大于等于（≥）0.9×Vcc為邏輯1；電壓小于等于（≤）0.1×Vcc為邏輯0；
輸入電路：電壓大于等于（≥）0.7×Vcc為邏輯1；電壓小于等于（≤）0.3×Vcc為邏輯0；

四、RS-232

RS-232接口符合美國電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，全雙工，其中 RS 為英文 “Recomend Standard” 的縮寫，中文翻譯為“推薦標(biāo)準(zhǔn)”，232為標(biāo)識號。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，連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號功能及傳送過程，其輸出的電平稱為 RS232 電平。

1、RS-232電平邏輯

RS-232不同于TTL的電平邏輯，為負(fù)邏輯，最簡單的RS232通信由三條數(shù)據(jù)線組成，即 TxD、RxD 和GND。負(fù)12V代表高電平，即-15V ~ -3V為邏輯1，正12V代表低電平，即+3V ~ +15V為邏輯0，電壓也有標(biāo)準(zhǔn)范圍。這里的電平，是TXD線（或者RXD線）相對于 GND 的電壓。

2、D型9針接口定義

記住一點，這種接口的協(xié)議只有兩種：RS-232和RS-485。不會是TTL電平的（除非特殊應(yīng)用）。

一般用的最多的是RXD、TXD、GND，三個信號。

3、USB轉(zhuǎn)RS-232

USB轉(zhuǎn)232，可以先將USB轉(zhuǎn)換為TTL，再將TTL轉(zhuǎn)換為RS232，市面上也有很多USB直接轉(zhuǎn)RS232的線材，線材內(nèi)部集成轉(zhuǎn)換電路，下圖為USB轉(zhuǎn)RS-232串口：

4、TTL和RS-232互轉(zhuǎn)

在實際中由于需要，有時候會要將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232電平，有時候也會要將RS232電平轉(zhuǎn)化為TTL電平，因為單片機(jī)接口一般是TTL電平，如果需要接232電平的外設(shè)，就需要加TTL轉(zhuǎn)RS232的模塊，轉(zhuǎn)換方向是雙向的。能實現(xiàn)TTL和RS232電平互相轉(zhuǎn)換最常用的芯片是MX232。框圖如下

五、RS-485

RS-485和RS-232一樣，都是串行通信標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)名稱是TIA/EIA-485-A，習(xí)慣稱為RS-485標(biāo)準(zhǔn)，半雙工，使用該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)能在遠(yuǎn)距離條件下以及電子噪聲大的環(huán)境下有效傳輸信號。RS-485使得廉價本地網(wǎng)絡(luò)以及多支路通信鏈路的配置成為可能，而且增加了聯(lián)網(wǎng)功能。

1、RS-485電平邏輯

RS-485和RS-232單端傳輸不一樣，是差分傳輸，使用一對雙絞線，其中一根線定義為A，另一個定義為B，一般收發(fā)器內(nèi)部是一個發(fā)送器加一個收發(fā)器組成。對于使能信號，字母上面加一橫的為低電平有效，不加的為高電平有效。邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2 ~ 6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2 ~ 6）V表示，使能端起作用和其他狀態(tài)時為高阻態(tài)。

2、TTL和RS-485轉(zhuǎn)換

TTL轉(zhuǎn)成RS-485很常見，收發(fā)器芯片市面上很多，比如MAX485，用起來也很簡單，一般左邊接MCU的GPIO，用來控制。

3、RS-232和RS-485轉(zhuǎn)換

RS-232和RS-485之間可以轉(zhuǎn)換，一個方法是RS-232轉(zhuǎn)換成TTL，再由TTL轉(zhuǎn)換為RS-485，當(dāng)然也有芯片支持將RS-232支持轉(zhuǎn)換成RS-485，雙向轉(zhuǎn)換。

六、USB

USB是Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊，是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)，USB接口的特點是傳輸速度快，支持熱插拔，可連接多個設(shè)備。

一條USB傳輸線分別由地線、電源線、D+和D-四條線構(gòu)成，D+和D-是差分輸入線，它使用的是3.3V的電壓(與CMOS的5V電平不同)，而電源線和地線可向設(shè)備提供5V電壓，最大電流為500mA(可以在編程中設(shè)置)。USB設(shè)備可以直接和HOST通信，或者通過Hub和Host通信。一個USB系統(tǒng)中僅有一個USB 主機(jī)，設(shè)備包括USB功能設(shè)備和USB HUB，最多支持127個設(shè)備。物理連接指的是USB傳輸線。在USB 2.0系統(tǒng)中要求使用屏蔽雙絞線。

1、USB速率

USB1.0：低速模式（low speed）：傳輸速率為1.5Mbps；
USB1.1：全速模式（full speed）：傳輸速率為12Mbps；
USB2.0：向下兼容，高速模式（high speed）：25~480Mbps；
USB3.0：向下兼容，（super speed）：理論上最高達(dá)5Gbps，實際中，也就是high speed 的10倍左右； USB3.1：Gen2 超高速（SuperSpeed +）傳輸速率為 10Gbps。

2、USB接口定義

常見的Type-A型USB接口定義如下。

USB是普遍使用的一種高速通信接口，和串口完全是兩個概念。雖然也是串行方式通信，但由于USB的通信時序和邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)都和串口完全不同，因此和串口無關(guān)。USB是高速的通信接口，用于PC連接各種外設(shè)，U盤、鍵鼠、移動硬盤、當(dāng)然也包括“USB轉(zhuǎn)串口”的模塊。

七、CAN總線

CAN是Controller Area Network的簡稱，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

1、CAN電平邏輯

顯性電平：邏輯0 典型值 CAN_H = 3.5V，CAN_L = 1.5V；

隱性電平：邏輯1 典型值 CAN_H = 2.5V，CAN_L = 2.5V；

總結(jié)：TTL電平一般用于芯片與芯片之間的通信；RS232采用了正負(fù)邏輯電平，提高線路的抗干擾性最遠(yuǎn)可以達(dá)到15米左右；如果更遠(yuǎn)的距離會采樣RS485，它使用兩線制的差分信號傳輸，最遠(yuǎn)可至1200米；RS232全雙工只支持點對點通訊(1:1)，RS485半雙工或單雙工支持總線形式通訊（1:N)。當(dāng)我們在做電路工作時，應(yīng)該注意下外設(shè)的串口是Uart類型的還是RS232類型的，如果不匹配，應(yīng)當(dāng)找個轉(zhuǎn)換線(通常這根轉(zhuǎn)換線內(nèi)有塊類似于Max232的芯片做電平轉(zhuǎn)換工作的)，不能盲目地將兩串口相連。

1、RS232、RS-485最終結(jié)果都是轉(zhuǎn)換為TTL電平方式與單片機(jī)通信（CAN收發(fā)器把差分信號轉(zhuǎn)化為TTL-->CAN控制器（MCU））。其目的都是提高通信質(zhì)量，提高抗干擾能力。

2、TTL、RS232是邏輯電平信號。RS-485、CAN為差分信號。

八、I2C

I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、半雙工、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線（SDA、SCL）即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。同一時刻可以單主機(jī)多從機(jī)或單主機(jī)單從機(jī)，I2C總線上的任意設(shè)備都可以當(dāng)主機(jī)，一般主機(jī)是MCU，當(dāng)有多個主機(jī)時，會通過總線仲裁的方式選出一個主機(jī)，其他退出作從機(jī)。

SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時鐘線）都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出．需通過上拉電阻接電源VCC．當(dāng)總線空閑時．兩根線都是高電平。

主機(jī)用于啟動總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從機(jī)，在總線上主和從、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，而取決于此時數(shù)據(jù)傳送方向。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)，則主機(jī)首先尋址從機(jī)，然后主動發(fā)送數(shù)據(jù)至從機(jī)，最后由主機(jī)終止數(shù)據(jù)傳送；如果主機(jī)要接收從機(jī)的數(shù)據(jù)，首先由主機(jī)尋址從機(jī)。然后主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由主機(jī)終止接收過程。在這種情況下，主機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生定時時鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。

九、SPI

SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，意為串行外圍接口，是摩托羅拉首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的，SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，SPI的速率比I2C高，一般可以到幾十Mbps，不同的器件當(dāng)主機(jī)和當(dāng)作從機(jī)的速率一般不同。SPI最典型的應(yīng)用是單主機(jī)單從機(jī)，下圖是接線方式，當(dāng)然也可以多從機(jī)。

審核編輯：劉清