串口通信：USART 协议与电平标准
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1️⃣ USART 简介
USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）
MCU 内部串口模块，用于按位发送/接收数据，常用于短距离 TTL 通信。
- 通信模式：
- 异步（UART）：仅 TX、RX 两线，无时钟，通过起始位/停止位同步（最常用）
- 同步（USART）：带 CLK 信号同步通信（少用）
- 特性：
- 全双工，TX/RX 引脚，CLK 同步模式下使用
- 可配置不同物理接口标准（TTL、RS-232、RS-485）
说明：UART 是 USART 的子集，可实现异步通信；USART 可兼容 UART，高速或同步通信。常见应用：调试口、模块通信、MCU 间传输。
2️⃣串口电平标准（数据 1 和 0 的表达方式）
电平标准是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用三种：
| 电平类型 | 数据“1” | 数据“0” | 信号类型 | 通信特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| TTL | +5V | 0V | 单端 | 短距离、弱抗干扰 | MCU ↔ 模块 |
| RS-232 | -3~-15V | +3~+15V | 单端 | 点对点、距离≤15m | PC COM口 |
| RS-485 | 两线压差 +2~+6V | 两线压差 -2~-6V | 差分 | 多点总线、抗干扰强、距离≤1200m | 工业总线 |
注意事项：
- TTL 可短距离直连（TX↔RX、GND共地），适合 MCU↔模块
- RS-232/RS-485 需转换芯片（MAX232 / MAX485）
- 电平不兼容可能烧坏设备
TTL 电平与 RS232 电平的转换原理示意图
3️⃣ 基于 USART 的不同通信连接方式对比
| 连接方式 | 电平类型 | 传输距离 | 特点 |
|---|---|---|---|
| USART 直连 | TTL 电平 | 2m | 直接通过 MCU 的 USART 接口连接 |
| RS232 连接 | 3~12V 单端 | 20m | 需通过 RS232 转换模块，适用于单端电平传输 |
| RS485 连接 | ±2~6V 差分 | 1000m | 需通过 RS485 转换模块，采用差分电平，传输距离远 |
4️⃣ RS-232 与 RS-485 是什么？
4.1 差分信号
-
差分信号是用两根信号线传输一对幅值相等、极性相反的信号，以这两根线的差值来表示实际传输的信息。如图中的 A、B 线，信号的有效信息由 A 与 B 的电压差体现。
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当外界存在电磁干扰时，两根信号线会同时受到干扰（共模干扰），但由于差分信号关注的是 “差值”，干扰对两根线的影响会被抵消，最终信号的差值保持不变（如图中干扰段所示）。这一特性使其在长距离、强干扰环境下（如工业控制、高速通信）表现出色。
典型应用 RS485、以太网、高速串行总线
4.2 USART 直连通信条件
- 双方 TTL 电平一致（3.3V 或 5V）
- 异步 UART 模式相同
- 波特率、数据位、停止位、校验方式一致
- TX↔RX、RX↔TX、GND共地
- TTL：低电压（3.3V/5V）→ 适合短距离、低干扰场景，成本低、功耗小。
- RS232：高电压（±3V~±15V）→ 单端传输下靠高电压抗干扰，适配中距离（20 米内）。
- RS485：差分电压（±2V~±6V）→ 靠差分设计抗干扰，无需超高电压，适合长距离（1000 米内）和强干扰环境。
提示：TTL 电平设备直连通信简单，但距离短，RS-232/RS-485 用于长距离或工业环境。
RS232 提高电压的核心目的之一就是提升传输距离和抗干扰能力。
4.3 概括起来
USART/UART 负责“怎么说话”（逻辑格式）， RS-232/RS-485 决定“怎么传输”（电平与线路）。
USART 是协议方式，RS232、RS485 是基于 USART 的不同电平传输标准
USART/UART 只是数据格式与时序控制，要真正传输信号，还需要物理层标准。
RS-232 与 RS-485 就是常见的两种物理层标准。
5️⃣ 小结
- USART：协议控制层（MCU 内部模块）
- TTL / RS-232 / RS-485：物理电平层
- 直连原则：TTL 可短距离直连，RS-232/485 需转换芯片
- 波特率：通信双方必须一致
- RS-485：适合长距离、多节点、工业总线