【嵌入式】常用串口协议与转换芯片详解

0 前言

  最近有点想研究USB协议，正好也看到有评论说对如何选择USB转串口模块有些疑惑，其实我也一直很想写一篇关于串口的总结式的文章，借此契机来完善一下。

1 一个通信的协议的组成

  所谓通信协议，顾名思义，其本质就是一个协议，即一个约定，大家约定好通信的一些标准，这样大家就能根据这个标准来设计并生产产品，而避免了A产品不兼容B这样的情况发生。
  那不妨先想一下，一个通信协议需要规定哪些内容呢？
  一般来说，主要包括三个方面：

• 物理属性  主要是约定插头或接口的外在特性。包括这个插头长啥样（物理形状），有几个引脚（引脚定义）等等。
• 逻辑属性  逻辑属性主要是约定这个协议传输数据时的时序。因为在实际传输数据过程中，并不是直接把需要传输的数据依次传输的，这样接收端就不知道从哪里开始接收，数据传输就会错乱，因此往往是把数据切分为小块然后加上一些固定的字符，组成“一帧”，再传输，同样接收端也按照约定好的帧格式来进行解析。这样数据传输才能有序进行。
• 电气属性  在常见的串行数据传输协议中，都是传输数字信号，即用0 和 1来表示需要传输的数据，因此就需要明确多少电压代表0，多少电压代表1。

以下的内容也将按照上述思路来进行展开。

最后，再简单解释一些基本名词的概念：

• 单工：指信息传输是单向的，只能由A到B，不能B到A
• 双工：信息传输是双向的，A B之间可以交互信息
• 半双工：首先信息传输是双向的，但不能同时进行，即要么A给B传，要么B给A传，二者不能同时进行。
• 全双工：不仅信息传输是双向的，还可以同时进行。

2 常用协议名词解释

2.1 UART

  对于玩单片机的同学来说，UART可能是接触的最早的串行通信协议了，基本每个单片机都有TXD，RXD两个引脚，此即所谓的Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，异步串行通信。

• 物理属性：接口方面一般没什么要求，可以根据自己的需求自定义，但一般来说是三根线：RXD，TXD，GND，有时会加上电源信号VCC。
• 逻辑属性：即数据传输时的时序，这个可能是我们最关注的信息了。也是代码编写的主要内容体现：设置波特率、设置几位数据位，是否有奇偶校验等，即所谓的配置串口。
• 电气属性：采用正逻辑电平，即5V/3.3V为1；0V为0。这即是所谓的TTL电平，所以一般来说，单片机串口也叫TTL。

  实际上现在大多数单片机使用的都是CMOS电路，电平容限比TTL要大一些，但由于TTL出现较早，目前仍然把这种电平称为TTL电平。

总结：
  UART没有规定接口的具体样式，只是规定了引脚，所以在实际使用中比较灵活。但是引脚的电平要注意和单片机的电源保持一致，要注意区分3.3V和5V。UART是单片机中的基础外设，一般称之为串口，通过USB转TTL模块可以实现单片机与上位机之间的通讯。

2.2 RS-232

  RS-232其实是出现比较早且应用较为广泛的标准。由美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）联合多家公司于1970年制定，目前最新的标准是RS232C（前面是A和B）。所谓RS，即Recommended Standard，推荐标准，232为代号。

• 物理属性：RS232规定了25根线，但其实常用的只有9根线（另外16根线包括：①9根线电流环信号，目前很少设备使用这些引脚；②6个空引脚；③一个保护地信号），这也是为什么目前很多RS232的接口都是DB9，而很少见到DB25的插头。DB9插头如下图所示。
  
  形状和VGA接口很像，但只有9个针脚。这9个针脚定义如下所示

简写符	DTE25芯（公）	DCE25芯（母）	DTE9芯（公）	DCE9芯（母）	信号功能解释
TXD	2	3	3	2	发送数据 Transmit Data
RXD	3	2	2	3	接收数据 Receive Data
GND	7	7	5	5	信号地 Ground
RTS	4	5	7	8	请求发送 Require to Send
CTS	5	4	8	7	清除请求 Clear to Send
DSR	6	20	6	4	数据装置就绪 Data Set Ready
DCD	8	8	1	1	接收线信号检测 Data Carry Detected
DTR	20	6	4	6	数据终端准备好 Data Terminal Ready
RI	22	22	9	9	振铃指示

其中，前面三根线为必须的线，后面6根线其实都是流控信号，在实际使用时其实不一定会使用。

• 逻辑属性：值得一提的是，RS232的时序其实和上面提到的UART是一样的，也需要设置波特率、数据位、校验位、停止位等。但是需要注意的是，RS232波特率设置一般不超过19200，因为RS232传输的上限为20kbps。
• 电气属性：RS-232采用负逻辑电平，逻辑1：-15V ~ -3V 逻辑0：+3V ~ +15V

总结
  RS-232是一种全双工通信方式，时序和UART相同，只是电气属性存在差异。此外，它只能实现单点通信，且最大通信速率为20kbps，最大通信距离为15m。

2.3 RS-485

  RS-485相比于RS-232最大的特点就是传输距离更远，信号更加稳定，因为它的基于差分信号进行传输的，传输时，只看两个引脚之间的电压之差，从而来判断是逻辑0还是逻辑1.
  RS-485相比于RS-232协议，通信距离更远，可以达到4000英尺（约1219米），最高传输速率可以达到10Mbps（40英寸内，约12.2米）

2.4 RS-422

• 物理属性：
• 逻辑属性：
• 电气属性：

总结
  

3 常用的芯片

  由于目前很多电脑都不再配备老式的RS-232和RS-485等串口，主要以USB为主流，所以为了实现设备与普通计算机之间的通讯，往往需要使用一些转换成USB协议的芯片，这里主要列举一些并阐述其作用。

3.1 MAX232

3.2 CP2102

3.3 CH340

3.4 FT232