UART、RS232、RS485的区别
大家好，我是良许。
在嵌入式开发中，串口通信是我们最常用的通信方式之一。
但很多初学者经常会被 UART、RS232、RS485 这几个概念搞混，不清楚它们之间到底有什么区别和联系。
今天我就来详细聊聊这三者的区别，帮助大家彻底理解这些概念。
1. 基本概念解析
1.1 UART 是什么
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）的中文名称是通用异步收发器，它本质上是一种通信协议和硬件电路。
UART 定义了数据如何在设备之间进行串行传输，包括数据格式、传输速率、起始位、停止位等。
简单来说，UART 是一种逻辑层面的协议标准。
它规定了数据帧的格式，比如一个标准的 UART 数据帧通常包含：1 个起始位（低电平）、5 到 8 个数据位、可选的校验位、1 到 2 个停止位（高电平）。
在我们的 STM32 单片机中，UART 就是芯片内部集成的一个硬件模块，负责将并行数据转换为串行数据发送出去，或者将接收到的串行数据转换为并行数据。
UART 通信只需要两根线：TX（发送）和 RX（接收），再加上一根地线 GND。
1.2 RS232 是什么
RS232 是由美国电子工业协会（EIA）制定的一种物理层标准，全称是 EIA-RS-232。
它定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准，包括电气特性、机械特性、功能特性等。
RS232 最重要的特点是它的电平标准：逻辑 1（MARK）的电压范围是-15V 到-3V，逻辑 0（SPACE）的电压范围是 +3V 到 +15V。
注意，这个电平标准和我们单片机的 TTL 电平（0V 和 3.3V 或 5V）是完全不同的。
RS232 通常使用 DB9 或 DB25 接口，最大传输距离约为 15 米，最大传输速率一般不超过 20kbps（理论上可以更高，但实际应用中受限于线缆长度和质量）。
1.3 RS485 是什么
RS485 同样是一种物理层标准，它是 RS232 的改进版本。
RS485 采用差分信号传输方式，使用两根线（A 和 B）来传输数据，通过两根线之间的电压差来表示逻辑 0 和 1。
RS485 的主要优势包括：传输距离可达 1200 米，传输速率可达 10Mbps（短距离下），支持多点通信（最多可以连接 128 个设备），抗干扰能力强。由于采用差分信号，RS485 在工业环境中的应用非常广泛。
2. 三者之间的关系
理解了基本概念后，我们来看看它们之间的关系。
简单来说：
UART 是协议层，RS232 和 RS485 是物理层。
这就好比我们说话时，UART 定义了"说什么"（语言规则），而 RS232 和 RS485 定义了"怎么说"（声音的大小、传播方式）。
一个完整的串口通信系统，既需要 UART 协议来组织数据，也需要 RS232 或 RS485 这样的物理层标准来实际传输数据。
在实际应用中，我们的单片机 UART 输出的是 TTL 电平信号（比如 0V 和 3.3V），如果要通过 RS232 接口通信，就需要使用电平转换芯片（如 MAX232）将 TTL 电平转换为 RS232 电平；如果要通过 RS485 通信，就需要使用 RS485 收发器芯片（如 MAX485）进行转换。
3. 详细对比分析
3.1 电气特性对比
从电气特性来看，三者有明显的区别：
UART（TTL 电平）：逻辑 1 通常是 3.3V 或 5V，逻辑 0 是 0V。这是单片机内部直接使用的电平标准，驱动能力弱，抗干扰能力差，只适合板级通信。
RS232：采用负逻辑，逻辑 1 是-3V 到-15V，逻辑 0 是 +3V 到 +15V。这种较大的电压摆幅提供了一定的抗干扰能力，但功耗相对较高。RS232 是单端信号传输，容易受到共模干扰的影响。
RS485：采用差分信号传输，两根线之间的电压差大于 +200mV 表示逻辑 1，小于-200mV 表示逻辑 0。差分传输的最大优势是抗共模干扰能力强，即使两根线同时受到相同的干扰，只要它们之间的电压差保持不变，就不会影响数据传输。
3.2 传输距离和速率对比
在实际应用中，传输距离和速率是我们选择通信方式的重要考虑因素：
UART（TTL 电平）：传输距离非常有限，一般不超过 1 米，速率可以很高，但受限于线缆和驱动能力。在 PCB 板上的芯片间通信非常合适。
RS232：标准规定最大传输距离为 15 米，但在实际应用中，如果降低波特率，可以达到更远的距离。比如在 9600bps 的速率下，可以传输 30 米甚至更远。但随着距离增加，信号衰减和干扰会导致通信质量下降。
RS485：这是三者中传输距离最远的，标准距离可达 1200 米。而且 RS485 的传输速率和距离是可以权衡的：短距离下可以达到 10Mbps，而在最大距离 1200 米时，速率通常限制在 100kbps 左右。
3.3 通信方式对比
从通信拓扑结构来看：
UART/RS232：只支持点对点通信，即一个发送端对应一个接收端。如果需要连接多个设备，就需要多个串口，或者使用串口服务器等设备。
RS485：支持多点通信（也叫总线型通信），可以在同一条总线上连接多达 128 个设备（理论值，实际应用中需要考虑负载能力）。这使得 RS485 在工业控制系统中非常受欢迎，可以大大减少布线成本。
另外，RS485 支持半双工和全双工两种模式。半双工模式只需要两根线（A 和 B），但同一时刻只能有一个设备发送数据；全双工模式需要四根线，可以同时收发数据。
4. 实际应用场景
4.1 UART 的典型应用
在嵌入式开发中，UART 最常见的应用场景包括：
- 单片机与 PC 之间的调试通信，通过 USB 转 TTL 模块连接。
- 单片机与各种传感器模块的通信，比如 GPS 模块、蓝牙模块、WiFi 模块等。
- 单片机之间的短距离通信。
下面是一个 STM32 使用 HAL 库进行 UART 通信的简单示例：
// UART初始化
UART_HandleTypeDef huart1;
void MX_USART1_UART_Init(void)
{huart1.Instance = USART1;huart1.Init.BaudRate = 115200;huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK){Error_Handler();}
}
// 发送数据
uint8_t txData[] = "Hello UART!\r\n";
HAL_UART_Transmit(&huart1, txData, sizeof(txData)-1, 1000);
// 接收数据
uint8_t rxData[100];
HAL_UART_Receive(&huart1, rxData, 10, 1000);
4.2 RS232 的典型应用
RS232 虽然是比较老的标准，但在很多场合仍然在使用：
- 工业设备的配置和调试接口，很多老设备都配备 RS232 接口。
- 一些专业设备如示波器、频谱分析仪的通信接口。
- PLC（可编程逻辑控制器）的编程和监控接口。
在使用 RS232 时，我们需要在单片机的 UART 和 RS232 接口之间加入电平转换芯片。
以 MAX232 为例，它可以将 TTL 电平转换为 RS232 电平，反之亦然。
电路连接非常简单，只需要几个外围电容即可。
4.3 RS485 的典型应用
RS485 在工业自动化领域应用极为广泛：
- 工业现场的传感器网络，比如温度、压力、流量等传感器的数据采集。
- 楼宇自动化系统，如门禁、照明、空调控制等。
- 智能电网的抄表系统。
- 工业机器人的控制系统。
使用 RS485 时，需要注意以下几点：
- 总线两端需要加 120 欧姆的终端电阻，以消除信号反射。
- 在没有数据传输时，需要将总线拉到确定的电平状态，通常使用上拉和下拉电阻。
- 在多主机通信时，需要设计好通信协议，避免总线冲突。
下面是一个使用 MAX485 进行 RS485 通信的示例代码：
// 定义RS485方向控制引脚
#define RS485_DE_GPIO_Port GPIOA
#define RS485_DE_Pin GPIO_PIN_8
// 设置为发送模式
void RS485_TX_Mode(void)
{HAL_GPIO_WritePin(RS485_DE_GPIO_Port, RS485_DE_Pin, GPIO_PIN_SET);HAL_Delay(1); // 等待芯片切换
}
// 设置为接收模式
void RS485_RX_Mode(void)
{HAL_GPIO_WritePin(RS485_DE_GPIO_Port, RS485_DE_Pin, GPIO_PIN_RESET);HAL_Delay(1);
}
// 发送数据
void RS485_SendData(uint8_t *data, uint16_t len)
{RS485_TX_Mode();HAL_UART_Transmit(&huart1, data, len, 1000);RS485_RX_Mode();
}
// 接收数据
void RS485_ReceiveData(uint8_t *data, uint16_t len)
{RS485_RX_Mode();HAL_UART_Receive(&huart1, data, len, 1000);
}
5. 如何选择合适的通信方式
在实际项目中，我们应该如何选择呢？可以参考以下原则：
- 短距离板级通信：直接使用 UART 的 TTL 电平即可，简单、成本低、速度快。比如单片机与传感器模块之间的通信。
- 中等距离点对点通信：如果距离在几米到十几米之间，并且只需要连接两个设备，可以选择 RS232。虽然 RS232 比较老，但它的兼容性很好，很多设备都支持。
- 长距离或多设备通信：如果传输距离超过 15 米，或者需要连接多个设备，那么 RS485 是最佳选择。特别是在工业环境中，RS485 的抗干扰能力和多点通信能力使它成为首选。
- 高速短距离通信：如果需要高速传输且距离不远，可以考虑使用 LVDS（低压差分信号）等其他技术。
- 无线通信需求：如果布线困难或需要移动通信，可以考虑使用蓝牙、WiFi、LoRa 等无线通信方式。
6. 总结
通过以上的详细分析，我们可以清楚地看到 UART、RS232、RS485 之间的区别和联系：
UART 是一种通信协议和硬件模块，定义了数据的组织方式；RS232 和 RS485 则是物理层标准，定义了信号的电气特性和传输方式。
它们不是互相替代的关系，而是协同工作的关系。
在实际应用中，我们通常是在单片机的 UART 基础上，根据具体需求选择合适的物理层标准。
如果是短距离通信，直接使用 UART 的 TTL 电平；如果需要更远的传输距离或更强的抗干扰能力，就通过电平转换芯片将 TTL 电平转换为 RS232 或 RS485 电平。
理解这些概念对于我们进行嵌入式系统设计非常重要，可以帮助我们在不同的应用场景中选择最合适的通信方式，设计出稳定可靠的系统。
希望这篇文章能够帮助大家彻底搞清楚这三者的区别，在以后的项目中能够灵活运用。