串口协议及各类标准的理解、电平区分；"USB/TTL转232"模块的工作原理分析

前言

本文主要介绍：在嵌入式系统开发环境下，对于串口协议、RS232标准，RS485标准与TTL电平的理解与区分；同时介绍“USB/TTL转232”的工作原理，这里以CH340芯片模块为例进行讲解。

一、串口协议

• 串口协议又指串口通信，串口通信指串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比特字节（byte）的串行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信协议是指规定了数据包的内容，内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范；
• 设备之间的通信方式一般分为串行通信和并行通信
• 按照通信方式分为：同步通信和异步通信
• 按照数据的传输方向串口通信分为：单工、半双工、全双工
• 常见串口通信接口：
  

二、常用的串口通信协议

1. RS-232（ANSI/EIA-232标准）

• RS232是一种异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以9个引脚或是25个引脚的型态出现 。RS232最常用的连接方式是三根线：一条发送线、一条接收线及一条地线
• 电平信号：逻辑1（MARK）=-3V～-15V，逻辑0（SPACE）=+3～+15V
• 传输距离：RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信
• RS232不能实现多机通信。原因：RS232为全双工的通信方式，一般的连接方式都为TTL电平、RS232电平，线路空闲时发送和接收的TTL电平都是高电平，电平转换芯片之后得到的RS232电平总是低
• 传输速率：RS232的传输速率较慢，能够达到1Mbps的已经比较少
  

2. RS-485（EIA-485标准）

• RS485一般采用两线制传输：A、B两条传输线
• 电平信号：-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”，电压为A-B的电压
• 传输距离：一般1Km以内都没有问题。理论上，通信速率在100Kpbs及以下时，RS485的最长传输距离可达1200米，但在实际应用中传输的距离也因芯片及电缆的传输特性而所差异。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加八个中继，也就是说理论上RS485的最大传输距离可以达到9.6公里。如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5~10公里，而采用单模光纤可达50公里的传播距离
• RS485可以实现多机通信。原因：RS485为半双工通信方式，即分时实现收和发。总线空闲的状态下需要保证状态为逻辑1，也就是A-B的电压符合逻辑1的电平值。假设此时1为主机，2和3为从机，数据线的连接方式为1，2，3的A连接在一起，1，2，3的B也连接在一起，不存在RS232连接方式的问题
• 接口信号电平比RS -232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接
• RS-485的数据最高传输速率为10Mbps
• RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好
  

三、RS232、485电平与TTL电平

• RS232 RS485 TTL同属于异步串行通信，这三种通信方式本质上是电平逻辑的区别

1. RS232电平

• RS232多用于电脑的串口，目前使用最广泛的就DB9接口，即九线接口，目前一般的电脑主机后面都会有这样的接口
• RS232电平采用负逻辑：

-15V ~ -3V  代表逻辑1
+3V  ~ +15V 代表逻辑0
-3V  ~ +3V  无意义

• RS232电平传输方式有一些明显的缺点：
  1.接口的信号电平值相对太高，容易损坏接口电路的芯片
  2.传输速率比较低，在异步传输时，波特率只有20Kbps
  3.接口使用一根信号线和一根信号返回线回路构成共地的传输模式，很容易产生共模干扰，所以抗噪声比较弱
  4.由于抗干扰能力弱，易产生共模干扰，所以传输距离并不远

2. RS485电平

• RS485多用于长距离传输的应用场景，大多数是在工业场景中，RS485电平逻辑采用差分电平，即传输数据至少需要两根信号线，根据两根信号线电压的差值来确定电平逻辑
• 发送端电平：

 +2V ~ +6V  代表逻辑1
 -2V ~ -6V  代表逻辑0
 其他       无意义

• 接收端电平：

 > +200mv 代表逻辑1
 < -200mv 代表逻辑0
 其他 无意义

• 由于在传输数据时需要两根信号线同时工作，所以RS485只能做到半双工通信，在RS232上依然有以下优化：
  1.差分信号抗干扰能力强
  2.传输距离大大加长，可以达到KM级别的传输
  3.相对应RS232而言可以支持多点传输甚至联网构成分布式系统
  4.传输速率可达到10M/bps

3. TTL电平

• TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术
• 目前熟知的单片机基本上都是使用的TTL电平的信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的通信标准
• 电平标准为：

输出：
小于0.8V  代表逻辑0
大于2.4V  代表逻辑1

输入：
小于1.2V  代表逻辑0
大于2.0V  代表逻辑1
其他      无意义

• 电平特点：
  1.TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉
  2.TTL电平无法进行长距离传输，抗干扰能力弱，信号衰减较大
  3.TTL电平为逻辑电平而设计，基本用于板级通信，单片机基本上都使用TTL信号系统

4. 三者电平区别一览表

四、USB/TTL转232模块的工作原理

• （以CH340芯片模块为例）

1. CH340简介

• CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口或者USB转打印口
• 在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线
• 常用于MCU的自动下载电路中，驱动稳定性和通信速率都有不错的保障
• 具体关于CH340的介绍可以看：
  http://www.wch.cn/product/CH340.html

2. 基本原理图

3. 工作原理

• USB转串口即实现计算机USB接口到物理串口之间的转换；可以为没有串口的计算机或其他USB主机增加串口，使用USB转串口设备等于将传统的串口设备变成了即插即用的USB设备

3.1 发送接收

• 串口发送：
  串口应用发送数据 —> USB串口驱动获取数据 —> 驱动将数据经过USB通道发送给USB串口设备 —> USB串口设备接收到数据通过串口发送
• 串口接收:
  USB串口设备接收串口数据 —> 将串口数据经过USB打包后上传给USB主机 —> USB串口驱动获取到通过USB上传的串口数据 —> 驱动将数据保存在串口缓冲区提供给串口应用读取

3.2 USB转串口CH340接线：

• USB转串口模块可以使用5V、3V3电压供电，需要将跳线帽进行安装
• 可以对USB转串口模块进行测试，将USB的电压引脚用跳帽接上，然后将RXD和TXD两个引脚用跳帽或者杜邦线接上。然后打开串口终端，点击“手动发送”或者“自动发送”，如果在接收区可以接收到数据，说明USB转串口模块工作正常，否则需要检查接线是否正确、电路板元器件是否损坏
• VCC接线是为了单片机供电，USB转串口的RXD引脚与单片机的TXD引脚相连，USB转串口的TXD引脚与单片机的RXD引脚相连，两者的GND引脚直接相连，如下图：
  

总结

本文介绍了串口协议及RS-232 标准、RS-485标准，以及二者电平与TTL电平的理解与区分；阐述了USB转接串口基本原理，并以CH340模块为案例介绍。过程中出现了不少原理理解不够透彻的问题，但通过不断的查询资料最终将问题解决，收获颇多。
同时也期待大家能够积极留言，指出我存在的问题，谢谢！

参考文献：
https://blog.csdn.net/qq_48641886/article/details/121032688?spm=1001.2014.3001.5502
https://www.sohu.com/a/168891691_669755

最后

以上就是怡然香水为你收集整理的嵌入式系统开发环境下，串口协议、RS232，RS485标准理解、与TTL电平区分及“USB/TTL转232”的原理分析串口协议及各类标准的理解、电平区分；"USB/TTL转232"模块的工作原理分析前言一、串口协议二、常用的串口通信协议三、RS232、485电平与TTL电平四、USB/TTL转232模块的工作原理总结的全部内容，希望文章能够帮你解决嵌入式系统开发环境下，串口协议、RS232，RS485标准理解、与TTL电平区分及“USB/TTL转232”的原理分析串口协议及各类标准的理解、电平区分；"USB/TTL转232"模块的工作原理分析前言一、串口协议二、常用的串口通信协议三、RS232、485电平与TTL电平四、USB/TTL转232模块的工作原理总结所遇到的程序开发问题。

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