串口、COM口、UART、TTL、USB、RS-232、RS-485、I2C、SPI、CAN、1...

電子產品，如電腦，滑鼠，充電器，包括汽車等，在我們的身邊有很多接口，帶你認識這些接口，知道長什麼樣子，用在什麼地方，怎麼用，原理是什麼？這篇文章僅僅作為簡單描述，入門級。

• 一、串口

• 二、UART

• 三、TTL電平

• 四、USB

• 五、RS-232

• 六、RS-485

• 七、IIC

• 八、SPI

• 九、CAN

• 十、1-WIRE

一、串口

1、串口概述

  串行接口簡稱為串口，也叫串行通信接口，一般也叫COM口，這是一個統稱，採用串行通信的接口都叫作串口，串口是一個硬體接口。

2、公頭和母頭

  有公頭和母頭之分，大家可以自行記憶，左邊有孔的為母頭，另外一個就為公頭。

公頭和母頭

3、串行和並行

  串行：計算機總線或其他數據通道上，每次傳輸一個位元數據，並連續進行以上單次過程的通信方式。

  並行：在串行埠上通過一次同時傳輸若干位元數據的方式進行通信，所以並行的速度比串行快。

串行和並行




二、UART

  UART是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter的簡稱，意為通用異步收發傳輸器，UART包含TTL電平的串口和RS-232電平的串口，使用UART通信的雙方設備都需要遵從UART協議。

三、TTL電平

1、TTL概述

  TTL是Transistor-Transistor Logic的簡寫，是一種電平邏輯，電晶體-電晶體邏輯。

2、標準TTL電平邏輯

  邏輯1代表高電平，連接到電源VCC，邏輯0為低電平，連接到電源地。

  TTL有電壓範圍，分為輸出高、低電平和輸入高、低電平，輸出高電平用 表示，輸出低電平用 表示；輸入高電平用 表示，輸入低電平用 表示。

  對TTL電平的器件來說，當輸入電壓高於2V時，才會被識別為邏輯1，輸入的低電平低於1.2V時，才會被識別為0，這是為什麼輸出高電平2.4V，高於2V；輸出低電平0.8V，低於1.2V的原因所在。如下是標準TTL電平，TTL有很多類型，電壓有所區別。

3、USB轉TTL

  玩過51單片機的小夥伴都用過CH340G模塊，用來下載HEX文件，這個模塊的作用就是將USB轉成TTL電平，一般單片機的電平都是TTL電平，模塊的內部晶片是CH340T，ST官方推薦。

USB轉TTL模塊

  使用CH340T晶片，USB轉TTL電平的電路原理圖。

USB 轉 TTL 原理圖

4、與單片機連接

  TTL電平的器件之間通信，只需要三根信號線：TXD、RXD和GND，和單片機接法很簡單，3.3V單片機就接3.3V，5V單片機就接5V，如果單片機有單獨的供電，3.3V和5V都不接。

USB轉TTL模塊與單片機的連接

四、USB

1、USB概述

  USB是Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，是一個外部總線標準，用於規範電腦與外部設備的連接和通訊，是應用在PC領域的接口技術，特點是傳輸速度快，支持熱插拔，可連接多個設備。

  我們在很多地方可以看到USB的身影，滑鼠，鍵盤，手機充電器，現在幾乎所有的電子充電設備都是USB接口，如下是各個USB的物理接口。

USB 接口分類

2、USB速率

• 1MB/s=8Mbps（1個Byte等於8bit）

• USB1.0 低速（Low Speed） 傳輸速率為 1.5Mbps；

• USB1.1 全速（Full Speed） 傳輸速率為 12Mbps；

• USB2.0 高速（High Speed） 傳輸速率為 480Mbps；

• USB3.0 超速（SuperSpeed） 傳輸速率為 5Gbps；

• USB3.1 Gen2 超高速（SuperSpeed+） 傳輸速率為 10Gbps；

3、USB接口定義

  最常見的的Type-A型USB接口定義如下。

Pin#	Name	顏色
1	VBUS/+5V	紅色
2	D-/Data-/DM	白色
3	D+/Data+/DP	綠色
4	GND	黑色

Type-A 型接口

五、RS-232

1、RS-232概述

  RS-232接口符合美國電子工業聯盟（EIA）制定的串行數據通信的接口標準，原始編號全稱是EIA-RS-232（簡稱232，RS232）。它被廣泛用於計算機串行接口外設連接，連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。

2、RS-232電平邏輯

  RS-232不同於TTL的電平邏輯，為負邏輯，負12V代表高電平邏輯1，正12V代表低電平邏輯0，電壓也有標準範圍。

  除了TTL和RS232，常見的還有一個CMOS電平標準，電壓範圍如下：

3、DB9接口定義

  下圖是DB9公頭和母頭的定義，一般用的最多的是RXD、TXD、GND，三個信號。

DB9 公頭和母頭接口信號定義

  工業場合還會用到DB-25的RS232，DB9和DB25接口可以轉換。

DB9 轉 DB25

4、USB轉RS-232

  USB轉232，可以先將USB轉換為TTL，再將TTL轉換為RS232，當然市面上也有很多USB直接轉RS232的線材，線材內部集成轉換電路，淘寶上某USB轉RS232用的兩個晶片是FT232和SP213。

USB 轉 RS232 線材

5、TTL和RS-232互轉

  單片機接口一般是TTL電平，如果接232電平的外設，就需要加TTL轉RS232的模塊，轉換方向是雙向的。

  TTL和RS232電平互相轉換最常用的晶片是MAX232和SP3232。

TTL和RS-232轉換模塊

六、RS-485

1、RS-485概述

  RS-485和RS-232一樣，都是串行通信標準，現在的標準名稱是TIA/EIA-485-A，習慣稱為RS-485標準，RS-485彌補了RS-232通信距離短，速率低的缺點。

  RS-485和RS-232單端傳輸不一樣，是差分傳輸，使用一對雙絞線，其中一根線定義為A，另一個定義為B。

2、RS-485電平邏輯

  RS-485是差分傳輸，一般收發器內部是一個發送器加一個收發器組成。下圖是收發器典型的功能框圖。

  對於使能信號，字母上面加一橫的為低電平有效，不加的為高電平有效。

  RS-485內部結構

          對於發送器，有如下的真值表：

• 當驅動器使能引腳 為邏輯高時，差分輸出 和 遵循數據輸入 處的邏輯狀態。 處的邏輯高導致A轉為高，B轉為低。在這種情況下，定義為 的差分輸出電壓為正。當 為低時，輸出狀態反轉， 變高， 變低， 為負。
• 當 低時，兩個輸出都變成高阻抗。在這種情況下，與 處的邏輯狀態是不相關的。

RS-485 發送器真值表

  對於接收器，有如下的真值表：

• 當接收器使能引腳 邏輯低時，接收器被激活。當定義為 的差分輸入電壓為正且高於正輸入閾值 時，接收機輸出 變高。當 為負且低於負輸入閾值 ，接收機輸出 變低。如果 在 和 之間，則輸出不確定。
• 當 為邏輯高或懸空時，接收機輸出為高阻抗， 的大小和極性無關。

RS-485接受器真值表

RS-485電平邏輯說明

  很多收發器的標準達到甚至超過TIA/EIA-485A規範，在實際使用中，以器件的SPEC參數為主。

3、TTL和RS-485轉換

  TTL轉成RS-485很常見，收發器晶片市面上很多，比如MAX485，用起來也很簡單，一般左邊接MCU的GPIO，用來控制。

TTL轉RS-485

4、RS-232和RS-485轉換

  RS-232和RS-485之間可以轉換，一個方法是RS-232轉換成TTL，再由TTL轉換為RS-485，當然也有晶片支持將RS-232支持轉換成RS-485，雙向轉換。

RS-232和RS-485轉換模塊

七、IIC

1、IIC概述

  IIC總線是由Philips公司開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線，IIC只需要兩根線進行通信，SDA（串行數據線）和SCL（串行時鐘線）

  下圖是I2C總線的典型結構，同一時刻可以單主機多從機或單主機單從機，I2C總線上的任意設備都可以當主機，一般主機是MCU，當有多個主機時，會通過總線仲裁的方式選出一個主機，其他退出作從機。

IIC總線架構

2、IIC速率

八、SPI

1、SPI概述

  SPI是串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，SPI的速率比I2C高，一般可以到幾十Mbps，不同的器件當主機和當作從機的速率一般不同。

2、SPI信號線

• MISO – Master Input Slave Output，主設備數據輸入，從設備數據輸出；
• MOSI – Master Output Slave Input，主設備數據輸出，從設備數據輸入；
• SCLK – Serial Clock，時鐘信號，由主設備產生；
• CS – Chip Select，從設備使能信號，由主設備控制；

3、SPI典型應用

  SPI最典型的應用是單主機單從機，下圖是接線方式，當然也可以多從機。

SPI單主機單從機連接方式

九、CAN

1、CAN概述

  CAN是Controller Area Network的簡稱，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，現在是汽車網絡的標準協議。

2、CAN電平邏輯

電平	邏輯	總線Value
顯性電平	0	CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V
隱性電平	1	CAN_H=2.5V，CAN_L=2.5V

十、1-WIRE

1、1-WIRE概述

  單總線是美國DALLAS公司推出的外圍串行擴展總線技術，與SPI、I2C串行數據通信方式不同，它採用單根信號線，既傳輸時鐘又傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的。

2、1-WIRE典型框圖

  如下是1-WIRE的典型框圖，可以看到微處理器和1-WIRE器件之間只有一根線。

• 當MCU發送邏輯1時，經過反相器，總線呈現邏輯0，邏輯0經過1-WIRE器件的反相器，即會收到邏輯1；

• 當MCU發送邏輯0時，經過反向器，總線呈現邏輯1，邏輯1經過1-WIRE器件的反相器，即會收到邏輯0；

• 同理，當1WIRE器件發送邏輯1時，Tx處有NMOS會導通，總線呈現邏輯0，經過MCU Rx處的反相器，MCU會收到邏輯1；

• 發送邏輯0時，NMOS截止，總線呈現邏輯1，MCU會收到邏輯0；

1-WIRE 結構圖

本文授權轉載自公眾號「記得誠」，作者：記得誠

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