串口通信：RS232/RS485/RS422解析

在嵌入式开发中，串口是最基础也是最常用的通信方式。无论是给单片机烧录程序、调试输出Log，还是传感器通信、工业设备互联，串口无处不在。

一、串口到底是个啥？从时序到电平一次说明白

串口是一类通信方式的泛称。UART、TTL、RS232、RS485，很多人混着叫"串口"，方向没错但概念要厘清。它们底层走的都是同一套异步起停时序：起始位+数据位+校验位+停止位，区别只在电气层面：电压多高、抗不抗干扰、能传多远。

1.时序——大家都说同一种语言

每一帧数据的结构很固定：线路空闲时保持高电平，通信开始先发一个起始位（把线拉低一个比特周期），然后依次送5到8个数据位（低位在前），可选一个奇偶校验位，最后是一到两个停止位（恢复高电平）。工程上最常见配置是"8N1"——8个数据位、无校验、1个停止位。接收端靠自己的采样时钟在每个比特周期中间取一次电平，时钟一偏数据就错。所以两边波特率必须一模一样，这是铁律。诀窍：时序大家都一样，电平决定谁跟谁对话。

图1：标准UART帧波形示意图

2.电平——三种"方言"，谁跟谁能对话

TTL电平：芯片之间用的。逻辑1是2.4V到5V，逻辑0是0V到0.5V。两片MCU之间，TXD和RXD交叉直连就能通信，距离不超过几十厘米。这是电路板级别的对话方式。

RS232电平：穿出机箱用的。注意，逻辑是反的：逻辑1（MARK）是-15V到-5V，逻辑0（SPACE）是+3V到+15V。负压代表1、正压代表0，跟TTL完全不一样。PC后面的DB9就是RS232，芯片出来的TTL信号必须经过MAX232之类的电平转换芯片才能连上去。TTL口和RS232口直连必烧。记住电平转换芯片不能省。

RS485电平：工业现场用的。差分传输，不靠绝对电压、靠两根线的压差说话。A对B压差+2V到+6V是逻辑1，-6V到-2V是逻辑0。接收器灵敏度只有200mV——信号衰减到很小，只要压差还分得出就能正确解码。共模噪声被差分对消掉，这在变电站、铁路沿线那种电磁环境里太重要了。

二、RS232 vs RS485 vs RS422——三兄弟各管一摊

三种标准各有各的战场，没人能通吃。

1.RS232——机房的短跑选手：全双工、一对一、15米以内、稳。三根线（TxD、RxD、GND）就能双向通信，这是它方便的地方。标准规定最大距离15米，前提是电缆分布电容不超过2500pF。代价也很明显——单端传输，收发共地，噪声直接叠加在信号上，共模抑制基本为零。标准波特率定义到19200bps，现代UART可以推到115.2kbps，但线一长、环境一脏，误码就上来。RS232抗干扰靠的不是原理，是靠线短和屏蔽好。

图2：RS232典型接线示意图

2.RS485——现场的长跑主力：半双工、差分两线、1200米、多节点总线。铁路沿线的RTU监控、动环采集、电力远动，大部分走的是485总线。差分传输是它的核心优势。A、B两根线，数据靠压差传送，共模噪声被对消掉。为什么能跑上千米？因为不靠信号幅值、靠差值。但半双工有个坑——同一时刻只能一端发，其余全收。多节点通信必须做总线仲裁，发完数据立刻切回接收态释放总线。施工最容易忽略的：终端电阻。总线两端各并一个120Ω电阻，匹配特性阻抗、防信号反射。忘了加，高速通信时信号边沿振铃，误码率暴增。依据TIA/EIA-485-A标准规定，总线两端需各并接120Ω终端电阻以匹配特性阻抗，这是标准层面的硬性要求。

图3：RS485总线拓扑示意图

1）RS485全双工通信连接方式：RS485支持全双工连接，因为RS485有仲裁机制，能保证每时每刻只能有一个设备发送消息。这种连接，每个时刻可以实现发送数据，也能同时接收数据。

2）RS485半双工通信连接方式：这种通信方式是最常见的，实际设计中我们基本上都是这样连接，使用一组差分线，实现半双工通信。相比于全双工，走线要简单很多，且能实现多点之间相互通信。但是每时每刻之间，只能是单方向的通信。

3.RS422——夹在中间的选项：跟485电路原理基本相同，也是差分，但用四根线——Y/Z发送、A/B接收——全双工。一个主设备最多带10个从设备（TIA/EIA-422-B标准规定），距离和速率跟485差不多（1219米/10Mbps）；可以说是RS485的"全双工版"，线多一倍，功能多一半。 现场布四根线成本和复杂度都上去了，用得比485少。偶尔没422芯片的时候，拿两片485收发器也能凑合——短接Y→A、Z→B。