电控 | 串口通信基础——串口协议概述
串口协议概述
串口通信协议最广泛的分为三种，分别是：
RS-232
RS-422
RS-485
更准确的来说，这三种应该被称作“标准”。本节内容，将对这三种标准进行详细的阐述。
标准由来
最基本的串口通信
最最基本的UART协议帧由3个部分构成：
起始位(1bit) + 数据位(8bit) + 终止位(1bit)
当不传输数据的时候，UART数据传输线通常保持高电平电压。当要开始传输数据的时候，发送 TX UART 会将高电平拉到低电平并保持一个周期。当接收 RX UART 检测到从高到低的电平跃迁的时候，便开始以波特率对应的频率，读取数据帧中的位。同理，当结束的时候，TX UART 会将低电平拉高，意味着一个帧串口数据结束。
面临的问题
由于串口采用的是TTL逻辑，输出的高电平最低为2.4V，输出的低电平最高位0.4V。而一般来说，我们的串口通信使用TTL的高电平位5V（STM32中是3.3V），低电平位0V。这意味着，但凡遇到一些影响，就会造成很大的干扰，导致数据传输不准确。
这种影响，可以理解为有一个静电发生，就会导致某一个低电平很容易的就变成了高电平，从而被误读为高电平，改变了原有的数据内容。
越是远距离的传输，这种不稳定就越显著。那么应该如何解决这个问题呢？
所谓的RS-232, RS385, RS-422就是为了解决这些问题而存在的。
换句话说，这些协议的设定是为了弥补TTL逻辑造成的缺陷，提高数据传输的准确性。
解决问题的方案
这些问题该出现了，那么我们需要如何解决呢？
从源头上来说，是TTL逻辑的高低电平设置，和串口传输的5V和0V过于接近，导致了数据传输的不准确。因此，我们就需要通过硬件层，迫使其对高电平和低电平的分辨能力增强。用术语来说，就是提高噪声容限。
RS-232标准
RS（Recommeded Standard），意思就是推荐标准，是美国电子工业联盟制定的标准。232是为接口标准分配的编号。
RS-232接口长这样：
这种接口被成为DB-9连接器。现在这种东西已经很难再见到了，但是在一些大型的电子设备上仍然可见。我还记得小时候的老式笔记本电脑有这种接口，在更老的台式电脑的主机上也有这种接口。所以，越是老电控，越有可能接触这种接口。
连接器引脚
这种连接器的引脚如下图所示：
作为一个实际应用的连接器，它的9个引脚有很多不同的功能。而作为我们电控所要了解的，就是它最主要的三个引脚：2号引脚，3号引脚，5号引脚。即TXD, RXD, GND。
这三者，就是我们所熟知的串口所用到的三根线，用来实现全双工通信。
电脑通过这三根线发送出来的信号，都是TTL电平。那么，现在我们就需要一个专门的元器件来将TTL电平转换为232电平。
TTL电平与232电平的相互转化
有一类元器件可以实现这个功能。例如MAX232
它的功能，就是将TTL电平转换为232电平。
首先，何谓之232电平？
232电平的高电平范围为3V~15V，低电平范围为-3V~-15V。如果能将原来的TTL标准的5V高电平和0V低电平转换到这样的高低电平的区间，那么在轻微的扰动下，将不会对高低电平判断的逻辑造成影响。
所以，TTL转RS232的逻辑电路，如下原理图所示：
其逻辑电路图如下图所示：
在右边的图中，为了现实TTL的IO和232的IO，把引脚的位置稍微换了一下，以更好的绘图。我们可以看见，信号是通过一个400kΩ的电阻+5V拉高，一个5kΩ的电阻+接地拉低的。同时，所有信号都会经过一个非门的转换。这意味着，RS232是负逻辑。
所谓负逻辑，在这里具体是指，当MAX232接收到5，输出的是-12V；当MAX232接收到的是0V，输出的是12V。
简而言之，下面这张图就是它所实现的效果：
如此这般，RS-232的抗干扰能力增强，传输距离能达到15m。但是速度却只有20k，即19200的波特率。面对更远的距离和更复杂的环境，它依然不满足需求。
RS-485标准
由此，由制定了RS-485标准。和RS-232的原理差不多，它就是在原来串口通信的基础上增加了485转换芯片。485转换芯片可以将原来的串口信号转化为差分信号，差分信号只需要两根线，不需要地线。
那么，差分信号是如何实现串口信号的转换的呢？高低电平所表示的0和1是如何表示的呢？
高低电平与差分信号的转换
这里假设信号A和信号B，规定当信号A大于信号B的时候为逻辑0，当信号B大于信号A的时候为逻辑1。如此一来，就能够通过差分信号来表示原来的TTL高低电平。
连接器引脚
和RS-232略有不同，RS-485的引脚如上图所示。
TTL电平与485电平的相互转换
同理，我们也有MAX485作为TTL电平和485电平的转换器。MAX485芯片如下所示：
利用MAX485的通信转换电路逻辑图如下图所示：
可以看见，连线图中，左边的器件就是MAX485的发送器。其中，RO为RX，DI为TX。RE为RO的使能，DE为TX的使能。而A和B，就是差分信号的发送口。
通过逻辑电路图，可以看出RS-485是半双工通信，不能同时收发：
当ENABLE为高电平时，DE为1，发送使能。
当ENABEL为低电平时，RE‘为1，接收使能。
在发送的逻辑电路中，可以看到一路输入，两路输出。其中一路输出不变，给A端；另外一路输出为逆，给B端。以 $U = A - B$ 的电压值来判定其高低电平。在输出的逻辑电路中同理。
这样，就制造了一个差分电路，并且表示了高低电平。
双绞线
在电控的实践过程中，我们经常能看到很多信号线是缠绕在一起的。有些同志会觉得这不过是线弄在一起缠乱了，或者是做线的时候做的不够好造成的。还有的同志会觉得，实际上就是为了害怕直的几根线太松散，容易和别的线绕在一起，于是把他们缠起来看成像是一捆，来解决这个问题。
实际上，前者的想法可以说是完全不正确；后者的想法有一定的道理，但只能说是因为正确的利处实现后附加实现的小利处。
而正确的利处是，当线路在同一位置受到干扰的时候，是同一位置受到了干扰。对于差分信号而言，就是彼此相反的差分信号同时增大或减小，它们之间的差值是不会变化的，因此不会影响到对于高低电平的判断。
不仅仅是用在RS-485上的双绞线，我们还能发现几乎所有的PWM线，尤其是在航模上，都是绞在一起的。原理是相同的。
RS-422标准
RS-422和RS-485的原理可以说是完全一样，没有任何区别。但是，RS-422却弥补了RS-485的一个最致命的缺陷：RS-485只能半双工通信，通信效率很低。
具体的RS-422是如何实现的呢？
RS-422可以看作是两个RS-485合并在一起，需要两条双绞线。
其标准解析和RS-485非常类似，在此我不再多做解析。
我们所用的串口模块
在没有理解串口的各种标准之前，我们似乎从来没有彻底的学习过这些内容。因为，这些标准都是在底层中已经实现了的。无论是哪一种标准，哪一种协议，在代码层都是没有区别的。
作为嵌入式工作者，电控要负责的工作是写代码，配置好UART所要的各种参数，调用相应的函数，结合GUI，实现上位机与开发板之间的信息传输。
但是，当现在已经学习了这些硬件层的标准，再回过头来看UART通信，会有一种醍醐灌顶的通透感。
我们俗称的串口模块
用通俗的话来说，串口模块就是一块USB。平时也常常会说，“把串口给我”，或者“把串口模块给我“，或者”把串口的USB给我”。但这个小东西究竟是什么呢？
可以发现，这个小东西上面写着一行字：USB TO TTL。因此，它的真正名称是USB转TTL模块。
具体的，在TTL端，是一个4pin的GH1.25接头，连接的是开发板的UART接口。而USB端，则是连接上位机接口。
所以，这个串口通信的协议或者标准，运用的是TTL。而非任何一个RS232, RS485, RS422。
在网络上，有看到大佬自己做了USB转双标准的模块，可以做到USB转TTL，和USB转RS232。如图所示。
来源：USB转TTL/RS232工具硬件设计_usb转ttl原理图-CSDN博客
现在我们拥有了串口模块，但是要做到和上位机通信，还有一个重要的步骤，就是下载电脑的串口驱动。
我们俗称的串口驱动
首先要知道驱动是什么。所谓驱动，就是在操作系统中如Windows，下载一个特殊的程序。这个程序包含插入的硬件设备的所有信息。这个程序可以连接插入的硬件和操作系统与电脑硬盘，实现让操作系统控制插入的硬件。
在这个串口模块中，有一块芯片。不同的厂商选择不同的芯片生产串口模块，熟知的芯片有诸如CH340之类。
通过下载对应的串口驱动，让电脑可以控制这块芯片，就可以通过串口模块和下位机进行收发数据了。
总结
说了这么多，发现我们使用的串口还是USB转TTL的，和那几个RS一点关系都没有啊？
要这么想，就说明没有进行足够多的实践。在实验室中，也有USB转RS·232的模块。因为它确实很有用。在一些工程实践当中，电脑和下位机不可能时刻都保持着仅仅1米的距离。（TTL只能传输1米，而RS232可以传输15米）。尤其是电控在调车的时候，不可能无时无刻都坐在车的旁边来接收数据。这个时候，就可以考虑用一条长的4pin转杜邦的线，利用USB转RS-232，来更轻松，更准确地调参。
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