串口uart和RS232,RS485联系

本文深入浅出地解析了串口通讯中的UART与RS232/RS485的关系,通过公交系统类比,阐述了UART作为数据转换‘车站’与RS232/RS485作为线路规则的角色,帮助初学者理解电子通讯的基础概念。

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串口uart和RS232,RS485联系

串口通讯是电子工程师和嵌入式开发工程师面对的最基本问题,RS232则是其中最简单最常用的通讯方式。但是初学者往往搞不清有关的名词如UART和RS232或RS485之间是什么关系,因为它们经常被放到语句中同等的位置使用。在百度搜索二者的区别,可以看到排在最前面的答案充斥着混淆的概念。就此,谈谈我对这几个概念的理解,希望能帮初学者厘清它们之间的关系。
通讯问题,和交通是一样的。串口通信,我们这里可以用公交来类比。
公交运行可以简单分成两个部分:
1、车站
2、公路

其中车站决定了车上装什么(人),怎么发送(班次)等。

当汽车跑在路上,就要遵守公路交通的规则,过桥有过桥的规则,高速有高速的规则,和车站没有关系了。

回到串口通讯,其实,UART就相当于车站,而RS232/RS485则对应于公路的规则。

UART,是通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),既然是“器”,显然,它就是个设备而已,要完成一个特定的功能的硬件,它本身并不是协议。那么它要完成什么功能呢?它的最基本功能,是串行数据和并行数据之间的转换。我们知道,计算机中的数据以Byte为基本单位,对一个Byte的存取是并行的,即,同时取得/写入8个bit。而串行通信,需要把这个Byte“打碎”,按照时间顺序来收发以实现串行。例如:

内存中的数据是: 1 1 1 0 0 1 0 1

串行发送的实际效果是(按时间排序【注1】):

1

0

1

0

0

1

1

1

接收则是上述过程的逆过程。

这就是UART做的最基本工作,进一步的,它还要控制“发车的班次”,比如确认一个Byte的这8个bit是什么时候开始的,又是什么时候结束的,两个班次之间至少要隔多长时间的缓冲,等等。这一部分,也具有协议的特征,但是相对于道路上的协议,更具有一般性,是与车在什么道路上开,相对独立的。

那么道路上的规定是什么样的呢?

RS232/RS485,是两种不同的电气协议,也就是说,是对电气特性以及物理特性的规定,作用于数据的传输通路上,它并不内含对数据的处理方式。比如,最显著的特征是:RS232使用3-15v有效电平,而UART,因为对电气特性并没有规定,所以直接使用CPU使用的电平,就是所谓的TTL电平(可能在0~3.3V之间)。更具体的,电气的特性也决定了线路的连接方式,比如RS232,规定用电平表示数据,因此线路就是单线路的,用两根线才能达到全双工的目的;而RS485, 使用差分电平表示数据,因此,必须用两根线才能达到传输数据的基本要求,要实现全双工,必需用4根线。但是,无论使用RS232还是RS485,它们与UART是相对独立的,但是由于电气特性的差别,必须要有专用的器件和UART接驳,才能完成数据在线路和UART之间的正常流动。

RS232甚至规定了接口的具体样式,图为DB9接口

总结:从某种意义上,可以说,线路上存在的仅仅是电流,RS232/RS485规定了这些电流在什么样的线路上流动和流动的样式;在UART那里,电流才被解释和组装成数据,并变成CPU可直接读写的形式。

### UARTRS232 RS485 串行通信协议比较 #### 协议概述 UART(通用异步收发传输器)是一种硬件电路,用于实现设备之间的数据交换。它定义了一种通过起始位停止位来同步发送方接收方的方法。 RS232 是一种标准的串行接口,最初设计用于连接计算机其他外围设备。该协议规定了电气特性以及物理层的标准[^1]。 RS485 则是一个更灵活的数据总线标准,支持多点网络配置,在工业自动化领域广泛应用。其差分信号传输机制提高了抗噪能力传输距离。 #### 物理层差异 - **电压电平** RS232 使用单端信号传送,逻辑高电平时约为 +3V 至 +15V;而逻辑低则为 -3V 至 -15V 的负电压范围。这种较大的电压摆幅使得 RS232 对噪声较为敏感,并且限制了最大传输速率距离。 相较之下,RS485 采用的是平衡双绞线上的差分信号形式,即 A 线相对于 B 线具有相反极性的电信号变化。这种方式不仅增强了系统的共模抑制能力,还允许更高的波特率及远距离通讯。 - **拓扑结构** RS232 主要适用于一对一的简单链路架构,通常只涉及两个节点间的直接连线。由于受到上述因素的影响,实际部署中很少见到超过几十米的有效布设长度。 而 RS485 支持多种拓扑布局,包括但不限于星型网状、树形分支乃至环回自检等多种模式。理论上最多可以挂载多达 32 或者更多数量级的不同站地址单元参与同一组播群聊会话过程之中。 ```python # Python 示例代码展示如何初始化不同类型的串口对象 import serial rs232_port = serial.Serial( port='/dev/ttyS0', # 设备路径 baudrate=9600, # 波特率设置 bytesize=serial.EIGHTBITS, parity=serial.PARITY_NONE, stopbits=serial.STOPBITS_ONE) rs485_port = serial.Serial( port='/dev/ttyUSB0', baudrate=115200, bytesize=serial.SEVENBITS, parity=serial.PARITY_EVEN, stopbits=serial.STOPBITS_TWO) ``` #### 应用场景对比 对于短程、低成本的应用场合,比如个人电脑与调制解调器之间简单的命令交互操作,选用 RS232 将更为合适。然而当面对复杂环境下的远程监控系统或是分布式控制系统时,则应优先考虑具备更强鲁棒性扩展性的 RS485 方案。 #### 数据帧格式区别 尽管两者都遵循类似的 ASCII 编码字符集编码规则来进行消息封装处理,但在具体细节上仍存在细微差别: - RS232 往往依赖于特定应用程序所规定的私有协议; - RS485 更倾向于标准化的消息构建方法论,例如 Modbus RTU/ASCII 等公开可用的选择项。
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