淺談RS232和RS485串行通訊

吳皓月　李旭東　趙亮

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

[關鍵字]串口通訊 RS-232 RS-485 TTL 2C

一、引言

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

二、RS-232接口

RS-232是最早出現的串行通訊接口，也是其他串口通訊的基礎。1970年由美國電子工業協會（EIA）聯合貝爾系統、調制解調器廠家及計算機終端生產廠家共同制定了用于串行通訊的標準，該標準采用一個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，從而成為事實標準。雖然純粹的RS-232接口已經少見，但是許多的串口通訊技術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、發端的數據信號是相對于信號地。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動。RS-232是為點對點通訊而設計的，其驅動器負載為3kΩ～7Ω。所以RS-232適合本地設備之間的通信，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）系統還是windows系統，均把串口通信進行了封裝，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，需要設定串口通訊參數，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，對串口進行初始化，然后循環關注串口，當讀到數據后，產生消息通知主線程。

在單片機上，情況相對復雜，有的開發平臺也進行了封裝，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平臺的數據手冊執行。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、通訊模式設定；2、波特率發生器（定時器）的選擇和設定；3、波特率的計算和設定；4、控制寄存器進行數據通訊。

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位數據位；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位數據位，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位數據位，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準不同，不能單片機的串口直接接在COM口（即DB-9接口）的對應針腳上，必須通過電路轉換。常見的轉換芯片有MAX232芯片，每個MAX232芯片可以完成兩組DB-9到TFL的轉換（電路圖可以參見MAX232 Data Sheet，此處略）。在實際應用中，直接用COM口加轉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標準全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它推出不久就發展了更高級的RS-485。它們相對于RS-232最大的優點有：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32個設備；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，變為兩線制（不含信號地。以前RS485也有四線制接法，該接法為全雙工，但是只能實現點對點的通信方式，現很少采用）。由于PC機多數沒有RS485接口，在實際中RS485很少獨立使用，而是通過轉換器將DB-9接口的RS-232轉換成RS-485接口轉換器，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備，為了防止多個設備同時發出信息而相互干擾（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，才可以發送信息，而主機發出的信息包所有從機都可接收到信息，所以主機發出的信息包中要有從機地址碼，以便從機辨識發送給自己的信息包。

四、RS232、RS485和TTL之間的轉換

RS232和RS485的時序是相同的，只有電平標準不同，所以只要通過轉換電路將兩者之間電平之間轉換即可。轉換電路見圖2：

在這個電路中MAX232芯片將RS232轉換為TTL信號，MAX485芯片將串口TTL信號轉換為RS485標準。

五、其他常見串口標準

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

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控制器局域網屬于現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統的串行通信網絡。通信距離最遠可達10KM（速率低于5Kbps）速率可達到1Mbps（通信距離小于40M），可用于汽車、艦船上的設備控制。