USART(RS232/422/485）、I2C、SPI、CAN、USB总线

【USART串口】

全双工、异步通讯方式.。接下来说单片机中最常用的USART串口，USART串口的协议相比于I2C要简单很多，它没有地址的概念，也没有主设备、从设备的区别，用户可以自己定义地址和主从，不定义也可以，完全自由开放。正因为USART本身的协议简单，硬性规定少，所以它有很好的扩展性。如【图3】所示，USART串口可以有3种常用的通信方式。最基本的是TTL电平直接连接，多用于单片机与带有USART串口的模块通信。比如WIFI模块、GPS模块、蓝牙模块都支持USART串口。另外它还常用于单片机与电脑的通信，今后我们要用电脑给单片机下载程序，就是通过USART串口。

还有一种基于USART串口的扩展接口，叫RS232。它用于工业控制类设备的通信接口，常见于电脑和工控设备之间的通信。比如电脑与PLC（工控常用的可编程控制器）之间的通信就是RS232。RS232接口并没有改变USART串口的协议规范，而是通过专用的RS232转换芯片，把TTL的5V电平转换成了正负12V电平。因为电平电压的升高，通信的距离和稳定性都有所提高。RS232的连接线可达20米长，在干扰众多的工业场合使用依然稳定。但是随着工业技术的发现，20米的距离已经满足不了需要，于是市场上又出来了性能更好的RS485接口。

RS485的通信线长度可达1000米，而且传输速度还要比RS232快很多。虽然RS232和RS485都可以挂接多个设备，可是因为RS232的通信距离太短，20米的距离内挂多个设备的意义不大。所以RS232多用于一对一通信，而RS485被用于多个设备挂接的总线，当然也可以一对一通信。

RS485的应用非常广泛，高层住宅和商场里的电梯直梯就是用RS485连接各楼层，控制叫梯和显示楼层信息。是属于非常成熟的通信接口之一。但不论如何，RS232和RS485的协议还是USART，本质上是一个功能的不同扩展。STM32单片机内部只有支持USART协议的TTL电平的接口，如果想使用RS232或RS485需要外接一个芯片才能实现。【图3】所示是USART串口的三种通信形式。

STM32F103单片机上有3个USART串口，都支持DMA功能。其中USART1的速度可达4.5MB/S，其他可达2.5MB/S，算是相当快的速度。在8051单片机中也有一种叫UART的串口，少了一个S，它们是什么关系呢？其实USART的全称是同步/异步收发器，而UART是异步收发器，它们之间差了一个“同步”，USART接口比UART多了一个“USART_CK”的同步时钟线，可以同步时钟通信，但这个功能很少用到，所以它们在应用上并没有什么差别。

【图3】USART串口电路连接示意图

RS-232、RS422 和 RS-485 区别

一、串口简介
RS-232、RS-422 与 RS-485 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232 在1962 年发布，命名为 EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422 由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之不足而提出的。为改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到 10Mb/s，传输距离延长到 4000 英尺（速率低于 100kb/s 时），并允许在一条平衡总线上连接最多 10 个接收器。RS-422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 TIA/EIA-422-A 标准。为扩展应用范围，EIA 又于 1983 年在 RS-422 基础上制定了 RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为 TIA/EIA-485-A 标准。由于 EIA 提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以 RS 作前缀称谓。

RS-232、RS-422 与RS-485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或应用层通信协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的Sony 与松下对录像机的 RS-422 控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协议则更多了，如 Louth、Odetis协议是公开的，而ProLINK 则是基于 Profile 上的。

二、RS-232 串行接口标准
目前 RS-232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232 被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。
收、发端的数据信号是相对于信号地，如从 DTE 设备发出的数据在使用 DB25 连接器时是 2 脚相对 7 脚（信号地）的电平。典型的 RS-232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V 电平。当无数据传输时，线上为 TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从 TTL 电平到 RS-232 电平再返回 TTL 电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V 与-3～-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为 2V至 3V 左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约 15米，最高速率为 20kb/s。RS-232 是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为 3～7kΩ。所以RS-232 适合本地设备之间的通信。其有关电气参数参见下表。

三、RS-422 与 RS-485 串行接口标准

1. 平衡传输
RS-422、RS-485 与 RS-232 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，使用一它对双绞线，将其中一线定义为 A，另一线定义为 B。通常情况下，发送驱动器A、B 之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485 中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将A-A 与B-B 对应相连，当在收端AB 之间有大于+200mV 的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV 时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV 至6V 之间。

2．RS-422 电气规定
RS-422 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。实际上还有一根信号地线，共5 根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10 个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422 支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是10×4k+100Ω（终接电阻）。RS-422 四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF 握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。
RS-422 的最大传输距离为4000 英尺（约1219 米），最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s 速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。
RS-422 需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300 米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。
RS-422 有关电气参数见表 1

3．RS-485 电气规定
由于RS-485 是从RS-422 基础上发展而来的，所以RS-485 许多电气规定与RS-422 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485 可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422 一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422 有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32 个设备。
RS-485 与RS-422 的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485 是-7V 至+12V 之间，而RS-422 在-7V 至+7V 之间，RS-485 接收器最小输入阻抗为12k，RS-422 是4k；RS-485满足所有RS-422 的规范，所以RS-485 的驱动器可以用在RS-422 网络中应用。
RS-485 有关电气规定参见表1。
RS-485 与RS-422 一样，其最大传输距离约为1219 米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100 米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。

RS-485 需要2 个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300 米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。

RS-485 通讯协议（自定义应用层协议）

RS-485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议；因此，用户需要在RS-485 应用网络的基础上建立自己的应用层通信协议。由于RS-485 标准是基于PC 的UART 芯片上的处理方式，因此，其通讯协议也规定了串行数据单元的格式（8-N-1 格式）：1 位逻辑0 的起始位，6/7/8 位数据位，1 位可选择的奇ODD)/偶(EVEN)校验位，1/2 位逻辑1 的停止位。

下面将分别对ModBus 协议(RTU 模式)、多功能电能表通讯规约(DL/T645-1997)进行简单介绍，便于大家对应用层通信协议有一个基本的概念与理解。
1.4.1 ModBus 协议(RTU 模式)
以下资料摘录于Modbus 协议(RTU 模式)的一部分，介绍了Modbus RTU 协议的基本构成、主要特点、参数规定；便于我们理解一个通讯协议的基本模式与要求。关于详细的ModBus 协议，用户可以从ModBus-IDA 协会 (www.modbus.org) 网站下载具体的内容。

1．查询—响应周期
ModBus 协议遵循“查询—响应”模式，如图 1-23 所示。