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常见通信协议之UART、RS485

2023-05-16

UART

  • 通用异步收发器
  • 一种通用的串行、异步通信总线，该总线有两条数据线，可以实现全双工的发送和接受
  • 并行通信和串行通信
    • 总线传递数据的本质—高低电信号
    • 并行通信—一次性传输多个位—布线难度高—存在数据干扰
    • 串行通信—逐次传输
    • 单工通信—单向通信
    • 双工通信—双向通信
    • 半双工—双向通信，但发送过程只有一条
    • 全双工—双向通信，发送可以同时接收
  • 波特率
    • 用于表述UART通信时的通信速度，其单位为bps（bit/s）每秒传输的bit数量
  • UART帧格式
    • 大体上分为起始位(1bit低电平，区别于空闲高电平)、数据位(5-8bit，先发送低位再发高位)、校验位、停止位
    • 串口空闲时为高电平，因此这需要一个起始位
    • 校验位一般采用奇偶校验—可有可无
    • 停止位必须有是高电平
  • 一个问题—如果发送0011那么两个重复的bit要如何区分呢
    • 通过卡时间—波特率
  • 发送端和接收端的时间基准如何解决呢？
    • 最多发8bit，避免累计时间误差导致错误
    • 这也就是异步的原因，两者时钟并不相同
  • 硬件连接
    • A：TXD—RXD
    • B：TXD—RXD
  • UART控制器
    • 通过寄存器完成上述流程
  • 电气特性
    • 插头插座的连线为什么方便？—具有统一的接线标准
  • 串口存在的问题
    • 电气接口不统一
    • 只对时序做了定义，对于高低电平没有规定，这样就不可以直接相连接
    • 抗干扰能力差—TTL电平抗干扰能力差
    • 通信距离短—抗干扰很差

RS232/RS485

  • 依赖于串口的电气设计—抗干扰更强、传输速度更快
  • RS232
    • 一种串行通信的标准—具有标准的连接器，对每个引脚的作用进行规定，还对信号电平进行了规定
    • 信号规定
      • 高电平为-5v到-15v，低电平为5v到15v
      • 因此，板载RS通信需要对电平进行转换，串口发送的依然是TTL，这需要转换到232电平
  • RS232存在的问题
    • 电压值太高
    • 需要232芯片转换电路，通信速度低
    • 易产生共模干扰，抗干扰性弱
  • RS485
    • 解决问题
      • 提高传输距离—1500m
      • 允许多机通信，可以连接多个收发器，具有多站能力，可以利用一个单一的RS485接口建立起一个设备网络
    • 规定使用差分信号进行数据传输，两线间电压差2v到6v表示高电平，电压差到-2v到-6v表示低电平，抗干扰能力强
    • 差分信号—用两根信号的电压差描述高低电平
    • 降低共模干扰到原因在于没有地的概念，只有相对电压差，在传统传输的理念中，所谓的高低电平都是相对于GND的一定电压，这中间可能会存在电压衰减和干扰造成传输错误
    • 双绞线到作用—两根传输线受到的外界干扰有一致性，差分传输后解决共模干扰问题
    • 电压更低，不容易损害电平转换电路
    • 接口—两线制—可以总线拓扑—这两根线需要同时发送一个信号，因此就是半双工，只能同一时间做一件事，而串口的两线是独立的发送和接收，因此是全双工
    • 主机可以通过某种方式进行控制总线，避免冲突
    • 转换电路—由单根线转换成双线差分，不单单是电压转换
  • RS485的优势
    • 接口的信号电平值较低，不容易损坏接口电路芯片，且与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接
    • 通信速度快
    • 抗噪声干扰性强
    • 传输距离远
    • 可实现多节点组网
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