吳皓月　李旭東　趙亮

[摘要]本文首先闡述了RS-232、RS-485口通信產(chǎn)生和特點，并穿插著比較7N種接口的差別和異同，然后實現(xiàn)他們之間的相互轉(zhuǎn)換方法，最后又對常見的串口通訊接口12C、CAN、SPI、USB等進(jìn)行了簡介。

[關(guān)鍵字]串口通訊 RS-232 RS-485 TTL 2C

一、引言

上世紀(jì)70年代，同時出現(xiàn)了串行通信和并行通信。經(jīng)過時間的檢驗，并行通信，由于位同步問題和干擾問題已經(jīng)逐步被淘汰。串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)則經(jīng)過實踐的考驗并得到了長足的發(fā)展，演化為諸多串口通許標(biāo)準(zhǔn)，如：USB、SAS、SATA、RJ-45（以太網(wǎng)卡接口）均來源于串行通訊，最初的串口標(biāo)準(zhǔn)RS232則是所有串口通訊的前身和基礎(chǔ)。近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、高性能單片機等技術(shù)和市場的發(fā)展，RS-232也是老樹開花，再次被廣泛應(yīng)用。本文首先對RS-232、RS485接口進(jìn)行詳細(xì)的說明，然后說明他們之間的轉(zhuǎn)換。最后對常見串行通訊技術(shù)做個簡單的對比闡述供初學(xué)者借鑒。

二、RS-232接口

RS-232是最早出現(xiàn)的串行通訊接口，也是其他串口通訊的基礎(chǔ)。1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定了用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)采用一個25腳的DB-25連接器。后來IBM的PC機將RS232簡化成了DB-9連接器，從而成為事實標(biāo)準(zhǔn)。雖然純粹的RS-232接口已經(jīng)少見，但是許多的串口通訊技術(shù)保持了相同的時序和操作方法。

RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地。典型的RS-232信號在正負(fù)電平之間擺動。RS-232是為點對點通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負(fù)載為3kΩ～7Ω。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信，最大傳輸波特率為256000，最大傳輸距離約15米，傳輸速度隨傳輸距離增大而減小。

在PC機上，不管是unix（含linux）系統(tǒng)還是windows系統(tǒng)，均把串口通信進(jìn)行了封裝，我們對串口的操作簡化為文件操作，只不過，和普通文件相比，它在打開文件后，需要設(shè)定串口通訊參數(shù)，并需要處理好串口讀寫的超時問題。通常在PC機上串口的讀寫由獨立的線程完成，在需要讀寫串口時，讀寫線程啟動，對串口進(jìn)行初始化，然后循環(huán)關(guān)注串口，當(dāng)讀到數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生消息通知主線程。

在單片機上，情況相對復(fù)雜，有的開發(fā)平臺也進(jìn)行了封裝，有的沒有，不管是否封裝，操作方法都不大相同，需按照單片機或開發(fā)平臺的數(shù)據(jù)手冊執(zhí)行。但是89C52兼容機均可以通過對串口寄存器的操作來完成的，這個過程中的核心是以下幾個問題：1、通訊模式設(shè)定；2、波特率發(fā)生器（定時器）的選擇和設(shè)定；3、波特率的計算和設(shè)定；4、控制寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

通訊模式有4種：1、同步位移串行，在該模式1幀信息8位，即8位數(shù)據(jù)位；2、8位異步波特率可變，在該模式1幀信息10位，1個起始位，8位數(shù)據(jù)位，1個停止位；3、9位異步，在該模式1幀信息11位，1個起始位，8位數(shù)據(jù)位，1個可編程位，1個停止位；4、9位異步波特率可變，1幀信息11位同模式3。

需要特別說明的是由于信號的電平標(biāo)準(zhǔn)不同，不能單片機的串口直接接在COM口（即DB-9接口）的對應(yīng)針腳上，必須通過電路轉(zhuǎn)換。常見的轉(zhuǎn)換芯片有MAX232芯片，每個MAX232芯片可以完成兩組DB-9到TFL的轉(zhuǎn)換（電路圖可以參見MAX232 Data Sheet，此處略）。在實際應(yīng)用中，直接用COM口加轉(zhuǎn)換芯片的情況并不多見，更多的情況是用USB接口模擬COM口，其另一端直接就是單片機所用的TTL電平信號。

三、RS-422和RS485接口

RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它推出不久就發(fā)展了更高級的RS-485。它們相對于RS-232最大的優(yōu)點有：首先是多機通訊，一主多從的通訊方式，允許一條總線上可以連接多達(dá)32個設(shè)備；其次大大延伸了通訊距離，通訊距離從十幾米延伸至上千米。再次是通許速率大大提高，最高傳輸速率為10Mbps。另外，由于其驅(qū)動電壓也從25V降到6V，這樣也就延長了接口電路的芯片的壽命；最后是連線方式也大大簡化，從原來的9線，變?yōu)閮删€制（不含信號地。以前RS485也有四線制接法，該接法為全雙工，但是只能實現(xiàn)點對點的通信方式，現(xiàn)很少采用）。由于PC機多數(shù)沒有RS485接口，在實際中RS485很少獨立使用，而是通過轉(zhuǎn)換器將DB-9接口的RS-232轉(zhuǎn)換成RS-485接口轉(zhuǎn)換器，采用屏蔽雙絞線傳輸。RS-485其典型的連線方式如圖1。

需要注意485總線必須要單點可靠接地。單點就是整個485總線上只能是有一個點接地，不能多點接地，因為將其接地是因為要將地線（一般都是屏蔽線作地線）上的電壓保持一致，防止共模干擾，如果多點接地適得其反。另外在在低速、短距離、無干擾的場合可以不要匹配電阻，相反必須有120歐的匹配電阻。

由于在一條總線上有多個設(shè)備，為了防止多個設(shè)備同時發(fā)出信息而相互干擾（撞包），一主多從時，只能半雙工通訊，如果從機要上報信息，只能等待主機輪詢到該從機時，才可以發(fā)送信息，而主機發(fā)出的信息包所有從機都可接收到信息，所以主機發(fā)出的信息包中要有從機地址碼，以便從機辨識發(fā)送給自己的信息包。

四、RS232、RS485和TTL之間的轉(zhuǎn)換

RS232和RS485的時序是相同的，只有電平標(biāo)準(zhǔn)不同，所以只要通過轉(zhuǎn)換電路將兩者之間電平之間轉(zhuǎn)換即可。轉(zhuǎn)換電路見圖2：

在這個電路中MAX232芯片將RS232轉(zhuǎn)換為TTL信號，MAX485芯片將串口TTL信號轉(zhuǎn)換為RS485標(biāo)準(zhǔn)。

五、其他常見串口標(biāo)準(zhǔn)

其他和單片機相關(guān)的常見的串口通訊技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)有：12C、CAN、SPI/QSPI、USB、TTL等。其中TTL不是串行通訊技術(shù)，它是計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部，各部分之間通信的電平標(biāo)準(zhǔn)，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”。USB作為PC機最常用的外設(shè)接口，可以在PC機端模擬串口，但是其另一端不是標(biāo)準(zhǔn)RS232口，而是TTL信號。在上邊提到的技術(shù)中12C、CAN由于時序不同，所以無法通過電路轉(zhuǎn)換成RS232標(biāo)準(zhǔn)。

在通訊距離上12C和TTL通常是一塊主板上的不同芯片間的通訊，SPI/QSPI和USB通常是在幾米的通訊距離；CAN控制器局域網(wǎng)屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM（速率低于5Kbps）速率可達(dá)到1Mbps（通信距離小于40M），可用于汽車、艦船上的設(shè)備控制。