一、UART是什么

 

UART是通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器,是設(shè)備間進(jìn)行異步通信的關(guān)鍵模塊。UART負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)總線和串行口之間的串/并、并/串轉(zhuǎn)換，并規(guī)定了幀格式；通信雙方只要采用相同的幀格式和波特率，就能在未共享時(shí)鐘信號(hào)的情況下，僅用兩根信號(hào)線（Rx 和Tx）就可以完成通信過程，因此也稱為異步串行通信。

 

 

若加入一個(gè)合適的電平轉(zhuǎn)換器，如SP3232E、SP3485，UART 還能用于RS-232、RS-485 通信，或與計(jì)算機(jī)的端口連接。UART 應(yīng)用非常廣泛，手機(jī)、工業(yè)控制、PC 等應(yīng)用中都要用到UART。

 

 

UART使用的是 異步，串行通信。

 

串行通信是指利用一條傳輸線將資料一位位地順序傳送。特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，利用簡(jiǎn)單的線纜就可實(shí)現(xiàn)通信，降低成本，適用于遠(yuǎn)距離通信，但傳輸速度慢的應(yīng)用場(chǎng)合。

 

異步通信以一個(gè)字符為傳輸單位，通信中兩個(gè)字符間的時(shí)間間隔多少是不固定的，然而在同一個(gè)字符中的兩個(gè)相鄰位間的時(shí)間間隔是固定的。 

 

數(shù)據(jù)傳送速率用波特率來表示，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。例如數(shù)據(jù)傳送速率為120字符/秒，而每一個(gè)字符為10位（1個(gè)起始位，7個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)校驗(yàn)位，1個(gè)結(jié)束位），則其傳送的波特率為10×120＝1200字符/秒＝1200波特。

 

數(shù)據(jù)通信格式如下圖：

 

 

其中各位的意義如下：

 

起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”信號(hào)，表示傳輸字符的開始。

數(shù)據(jù)位：可以是5~8位邏輯”0”或”1”。如ASCII碼（7位），擴(kuò)展BCD碼（8位）。小端傳輸

校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))

停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。

空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有資料傳送。

 

注：異步通信是按字符傳輸?shù)?，接收設(shè)備在收到起始信號(hào)之后只要在一個(gè)字符的傳輸時(shí)間內(nèi)能和發(fā)送設(shè)備保持同步就能正確接收。下一個(gè)字符起始位的到來又使同步重新校準(zhǔn)（依靠檢測(cè)起始位來實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收方的時(shí)鐘自同步的）

 

 

二、RS-232標(biāo)準(zhǔn)

 

RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)。RS-232是對(duì)電氣特性以及物理特性的規(guī)定，只作用于數(shù)據(jù)的傳輸通路上，它并不內(nèi)含對(duì)數(shù)據(jù)的處理方式。需要說明一下,很多人經(jīng)常把RS-232、RS-422、RS-485 誤稱為通訊協(xié)議,這是很不應(yīng)該的，其實(shí)它們僅是關(guān)于UART通訊的一個(gè)機(jī)械和電氣接口標(biāo)準(zhǔn)（頂多是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的物理層面）。

 

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25 個(gè)腳的DB-25 連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信號(hào)的電平加以規(guī)定。后來IBM的PC 機(jī)將RS-232 簡(jiǎn)化成了DB-9 連接器，從而成為今天的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。而工業(yè)控制的RS-232 口一般只使用RXD（2）、TXD（3）、GND（5） 三條線。

 

 

早期由于PC都帶有RS-232接口，所以我們需要使用UART時(shí)，都選擇RS-232。但是現(xiàn)在個(gè)人電腦，不光是筆記本，包括臺(tái)式機(jī)都不再帶有RS-232的接口，大家看到電腦主板上面沒有DB9的接口。所以現(xiàn)在開發(fā)板都選擇TTL的UART，或者直接UART轉(zhuǎn)USB做在開發(fā)板上。

 

嵌入式里面說的串口，一般是指UART口， 但是我們經(jīng)常搞不清楚它和COM口的區(qū)別,  以及RS232, TTL等關(guān)系,  實(shí)際上UART,COM指的物理接口形式(硬件), 而TTL、RS-232是指的電平標(biāo)準(zhǔn)(電信號(hào)).

 

UART有4個(gè)pin（VCC, GND, RX, TX）, 用的TTL電平,  低電平為0(0V)，高電平為1（3.3V或以上）。

 

 

三、RS-485/ RS-422標(biāo)準(zhǔn)

 

RS-232接口可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。于是，為了解決這個(gè)問題，一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)RS-485產(chǎn)生了。RS-485的數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。 

 

通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2～6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的。

 

RS-422 的電氣性能與RS-485完全一樣。主要的區(qū)別在于：RS-422 有4 根信號(hào)線：兩根發(fā)送、兩根接收。由于RS-422 的收與發(fā)是分開的所以可以同時(shí)收和發(fā)（全雙工），也正因?yàn)槿p工要求收發(fā)要有單獨(dú)的信道，所以RS-422適用于兩個(gè)站之間通信，星型網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)，不可用于總線網(wǎng)；RS-485 只有2 根信號(hào)線，所以只能工作在半雙工模式，常用于總線網(wǎng)。

 

 

1. RS-485的電氣特性：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。接口信號(hào)電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。

 

2. RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps 。

 

3. RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

 

4. RS-485最大的通信距離約為1219M，最大傳輸速率為10Mb/S，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kb/S的傳輸速率下，才可以達(dá)到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用特制的485芯片，可以達(dá)到128個(gè)或者256個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的可以支持到400個(gè)節(jié)點(diǎn)。

 

1 RS-423 非平衡串行通信接口

 

結(jié)構(gòu)、信號(hào)電平、傳輸距離、傳輸速率、接口芯片

 

2 RS-422 平衡型串行通信接口

 

結(jié)構(gòu)、信號(hào)電平、接口芯片，MC3486、MC3487、SN75154，SN75155

 

傳輸速率、傳輸距離

 

3 RS-485 串行通信總線

 

結(jié)構(gòu)、信號(hào)電平、接口芯片 MAX485

 

傳輸速率、傳輸距離，應(yīng)用實(shí)例

 

由于RS-232 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)：

 

（1）  接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路芯片，又因?yàn)?32電平與TTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接；

（2）  傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps?，F(xiàn)在由于采用了新的UART芯片，波特率達(dá)到115.2Kbps（1.832M/16）；

（3）  接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；

（4）  傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50 米，實(shí)際上也只能用在15 米左右；

（5）  RS-232 只容許一對(duì)一的通信，沒有考慮構(gòu)成串行總線。(這點(diǎn)很重要，在很多控制場(chǎng)景，是一控多，如果主設(shè)備都需要跟從設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，那現(xiàn)場(chǎng)布線成蜘蛛網(wǎng)了)

 

 

非平衡型串行通信接口RS-423，RS-449

 

 

平衡型串行通信接口RS-422

 

RS-422（EIA RS-422-A Standard）是Apple的Macintosh計(jì)算機(jī)的串口連接標(biāo)準(zhǔn)。RS-422使用差分信號(hào)，RS-232使用非平衡參考地的信號(hào)。差分傳輸使用兩根線發(fā)送和接收信號(hào)，對(duì)比RS-232，它能更好的抗噪聲和有更遠(yuǎn)的傳輸距離。在工業(yè)環(huán)境中更好的抗噪性和更遠(yuǎn)的傳輸距離是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。

 

 

四、RS-232與RS-485對(duì)比

 

1、抗干擾性：RS485 接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好。RS232 接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾。

 

2、傳輸距離：RS485 接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為 1200 米（9600bps 時(shí)），實(shí)際上可達(dá) 3000 米。RS232 傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為 50 米，實(shí)際上也只能用在 15 米左右。

 

3、通信能力：RS-485 接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器，用戶可以利用單一的 RS-485 接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。RS-232只允許一對(duì)一通信。

 

4、傳輸速率：RS-232傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為 20Kbps。RS-485 的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為 10Mbps 。

 

5、信號(hào)線：RS485 接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根信號(hào)線。RS-232 口一般只使用 RXD、TXD、GND 三條線 。

 

6、電氣電平值：RS-485的邏輯"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 。在 RS-232-C 中任何一條信號(hào)線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯"1"，-5- -15V；邏輯"0 " +5- +15V 。

 

五、RS-422與RS-485對(duì)比 

 

RS-485的電氣性能與RS-422完全一樣。主要的區(qū)別在于：

 

1、RS-422 有4 根信號(hào)線：兩根發(fā)送（Y、Z）、兩根接收（A、B）。由于RS-422 的收與發(fā)是分開的所以可以同時(shí)收和發(fā)（全雙工）。

2、RS-485 只有兩根數(shù)據(jù)線：發(fā)送和接收都是A 和B。由于RS-485 的收與發(fā)是共用兩根線，所以不能同時(shí)收和發(fā)（半雙工）。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線，具體規(guī)格要求：

 

接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ

驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓

輸入端的電容≤50pF

在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）

接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號(hào)“0”；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號(hào)“1”）

 

 

因?yàn)镽S-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。

 

（1）  RS-485 的電氣特性：發(fā)送端：邏輯“0”以兩線間的電壓差+（2 ~6）V 表示；邏輯“1”以兩線間的電壓差-（2 ~6）V 表示。接收端：A 比B 高200mV 以上即認(rèn)為是邏輯“0”，A 比B 低200mV 以上即認(rèn)為是邏輯“1”；

（2）  RS-485 的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。但是由于RS-485 常常要與PC 機(jī)的RS-232 口通信，所以實(shí)際上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率會(huì)使RS-485 傳輸距離減小，所以往往為9600bps 左右或以下；

（3）  RS-485 接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好；

（4）  RS-485 接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)為1200 米（9600bps 時(shí)），實(shí)際上可達(dá)3000米，RS-485 接口在總線上是容許連接多達(dá)128 個(gè)收發(fā)器、即RS-485 具有多機(jī)通信功能，這樣用戶可以利用單一的RS-485 接口方便的建立起網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)镽S-485 接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根信號(hào)線，所以RS-485 接口均采用雙絞線傳輸。RS-485 的國際標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定RS-485 的接口連接器標(biāo)準(zhǔn)、所以采用接線端子或者DB-9、DB-25 等連接器都可以。

 

在使用RS-485 接口時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線徑，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所容許的最大電纜長度是數(shù)據(jù)信號(hào)速率的函數(shù)，這個(gè)長度數(shù)據(jù)主要是受信號(hào)失真及噪聲等影響所限制。最大電纜長度與信號(hào)速率的關(guān)系曲線是使用24AWG 銅芯雙絞電話電纜（線徑為0.51mm），線間旁路電容為52.5PF/M，終端負(fù)載電阻為100 歐時(shí)所得出的。（引自GB11014-89 附錄A）。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率降低到90Kbit/S 以下時(shí)，假定最大容許的信號(hào)損失為6dBV 時(shí)，則電纜長度被限制在1200m。實(shí)際上，在實(shí)用時(shí)是完全可以取得比它大的電纜長度。當(dāng)使用不同線徑的電纜，則取得的最大電纜長度是不相同的。例如：當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率為600Kbit/S 時(shí)，采用24AWG 電纜，最大電纜長度是200m，若采用19AWG電纜（線徑為0.91mm）則電纜長度將可以大于200m；若采用28AWG 電纜（線徑為0.32mm），則電纜長度只能小于200m。

 

RS-485的遠(yuǎn)距離通信建議采用屏蔽電纜，并且將屏蔽層作為地線。

 

六、影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的三個(gè)因素

 

1、在通信電纜中的信號(hào)反射

 

在通信過程中，有兩種信號(hào)因素導(dǎo)致信號(hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。

 

阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射，如圖所示。這種信號(hào)反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻。

 

 

從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就再也不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射現(xiàn)象。但是，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號(hào)反射還會(huì)存在。

引起信號(hào)反射的另一個(gè)原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。

 

信號(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀瑲w根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。

 

在信號(hào)分析，衡量反射信號(hào)強(qiáng)度的參數(shù)是RAF（Refection AttenuationFactor反射衰減因子）。它的計(jì)算公式如式（1）。

RAF=20lg(Vref/Vinc) （1）

 

式中：Vref—反射信號(hào)的電壓大小；Vinc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點(diǎn)的入射信號(hào)的電壓大小。

 

具體的測(cè)量方法如圖3所示。例如，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得2.5MHz的入射信號(hào)正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號(hào)的峰-峰值為+0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時(shí)，它的反射衰減因子為：

 

RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB

 

 

要減弱反射信號(hào)對(duì)通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于比較小的反射信號(hào)，為簡(jiǎn)單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。在通訊線路中，如何通過加偏置電阻提高通訊可靠性的原理。

 

2、在通訊電纜中的信號(hào)衰減

 

第二個(gè)影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩厥切盘?hào)在電纜的傳輸過程中衰減。一條傳輸電纜可以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路，如圖所示。

 

 

電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。導(dǎo)線的電阻在這里對(duì)信號(hào)的影響很小，可以忽略不計(jì)。信號(hào)的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。PROFIBUS用的LAN標(biāo)準(zhǔn)型二芯電纜（西門子為DP總線選用的標(biāo)準(zhǔn)電纜），在不同波特率時(shí)的衰減系數(shù)如表1所示。

 

電纜的衰減系數(shù)

 

 

3、在通訊電纜中的純阻負(fù)載

 

影響通訊性能的第三個(gè)因素是純阻性負(fù)載（也叫直流負(fù)載）的大小。這里指的純阻性負(fù)載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發(fā)器三者構(gòu)成。

 

 

在敘述EIA RS-485規(guī)范時(shí)曾提到過RS-485驅(qū)動(dòng)器在帶了32個(gè)節(jié)點(diǎn)，配置了150Ω終端電阻的情況下，至少能輸出1.5V的差分電壓。一個(gè)接收器的輸入電阻為12kΩ，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖5所示。按這樣計(jì)算，RS-485驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力為：

 

RL=32個(gè)輸入電阻并聯(lián)2個(gè)終端電阻=（（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2））≈51.7Ω

 

現(xiàn)在比較常用的RS-485驅(qū)動(dòng)器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利時(shí)公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力可以達(dá)到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅(qū)動(dòng)能力和負(fù)載的關(guān)系計(jì)算，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可帶節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于32個(gè)。

 

在通訊波特率比較高的時(shí)候，在線路上偏置電阻是很有必要的。偏置電阻的連接方法如圖6。它的作用是在線路進(jìn)入空閑狀態(tài)后，把總線上沒有數(shù)據(jù)時(shí)（空閑方式）的電平拉離0電平，如圖7。這樣一來，即使線路中出現(xiàn)了比較小的反射信號(hào)或干擾，掛接在總線上的數(shù)據(jù)接收器也不會(huì)由于這些信號(hào)的到來而產(chǎn)生誤動(dòng)作。

 

 

 

 

通過下面后例子了，可以計(jì)算出偏置電阻的大?。?/div>