TTL、RS-232、RS422、RS-485 是指的电平标准(电信号),很多人把 RS-232、RS-422、RS-485 误称为通讯协议,这是很不应该的,其实它们仅是关于 UART 通讯的一个机械和电气接口标准(顶多是网络协议中的物理层面);也就是说对 MCU 等控制器编写了 UART 程序,串行数据会通过硬件电路在设备间进行收发,这个硬件电路要遵循一个电平标准,实现设备间的交互。

# 前言

要了解逻辑电平的内容,首先要知道以下几个概念的含义:

  1. 输入高电平(VIH):保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平,当输入电平高于 VIH 时,则认为输入电平为高电平。
  2. 输入低电平(VIL):保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平,当输入电平低于 VIL 时,则认为输入电平为低电平。
  3. 输出高电平(VOH):保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值,逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此 VOH。
  4. 输出低电平(VOL):保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值,逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此 VOL。
  5. 阈值电平(VT):数字电路芯片都存在一个阈值电平,就是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平。它是一个界于 VIL、VIH 之间的电压值,对于 CMOS 电路的阈值电平,基本上是二分之一的电源电压值,但要保证稳定的输出,则必须要求输入高电平 > VIH,输入低电平 <VIL。 对于一般的逻辑电平,VIH,VIL,VOH,VOL 以及 VT 的关系可表示如下: VOH> VIH > VT > VIL > VOL。
  6. IOH:逻辑门输出为高电平时的负载电流(为拉电流)。
  7. IOL:逻辑门输出为低电平时的负载电流(为灌电流)。
  8. IIL:逻辑门输入为高电平时的电流(为灌电流)。
  9. IIL:逻辑门输入为低电平时的电流(为拉电流)。

/------------------------------------------ 我是分割线 ------------------------------------------/

串口:串口是一个泛称,UART、TTL、RS232、RS485 都遵循类似的通信时序协议,因此都被通称为串口。

UART 接口:通用异步收发器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),UART 是串口收发的逻辑电路,这部分可以独立成芯片,也可以作为模块嵌入到其他芯片里,单片机、SOC、PC 里都会有 UART 模块。

COM 口:特指台式计算机或一些电子设备上的 D-SUB 外形(一种连接器结构,VGA 接口的连接器也是 D-SUB)的串行通信口,应用了串口通信时序和 RS232 的逻辑电平。

USB 口:通用串行总线,和串口完全是两个概念。虽然也是串行方式通信,但由于 USB 的通信时序和信号电平都和串口完全不同,因此和串口没有任何关系。USB 是高速的通信接口,用于 PC 连接各种外设,U 盘、键鼠、移动硬盘、当然也包括 “USB 转串口” 的模块。(USB 转串口模块,就是 USB 接口的 UART 模块)

# TTL 电平标准

1、TTL

TTL:Transistor-Transistor Logic 三极管结构。TTL 电平规定,+5V 等价于逻辑 '1',0V 等价于逻辑 '0'。这样的数据通信及电平规定方式,被称做 TTL(晶体管 - 晶体管逻辑电平)信号系统。

Vcc:5V;VOH >= 2.4V;VOL <= 0.5V;VIH >= 2V;VIL <= 0.8V。

2、LVTTL

LVTTL:Low Voltage TTL。

3.3V LVTTL:Vcc:3.3V;VOH >= 2.4V;VOL <= 0.4V;VIH >= 2V;VIL <= 0.8V。

2.5V LVTTL:Vcc:2.5V;VOH >= 2.0V;VOL <= 0.2V;VIH >= 1.7V;VIL <= 0.7V。

3、注意事项

TTL 电平一般过冲都会比较严重,可以在始端串 22 欧或 33 欧电阻; TTL 电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用 1k 以下电阻下拉。TTL 输出不能驱动 CMOS 输入。

4、‘0’ 和 ‘1’ 表示

在这里插入图片描述

# RS-232 电平标准

1、RS-232

RS-232:是美国电子工业协会 EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS 是英文 “推荐标准” 的缩写,232 为标识号。RS-232 是对电气特性以及物理特性的规定,只作用于数据的传输通路上,它并不内含对数据的处理方式。

RS-232 标准是逻辑 '1' 为 -3V~-15V,逻辑 '0' 为 +3~+15V。

2、拓扑结构

在这里插入图片描述
3、‘0’ 和 ‘1’ 表示

在这里插入图片描述

# RS-485 电平标准

1、RS-485

RS-485:RS-232 接口可以实现点对点的通信方式,但这种方式不能实现联网功能。于是,为了解决这个问题,一个新的标准 RS-485 产生了。RS-485 的数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输,它使用一对双绞线,将其中一线定义为 A,另一线定义为 B。

通常情况下,驱动器 AB 端口之间的正电平在 +2~+6V 标识为逻辑 '1',负电平在 -2~-6V 标识为逻辑 '0'(这里的电平指 AB 两线间的电压差)。

note:AB 两端的电压差最小为 0.2V 以上时有效,任何不大于 12V 或者不小于-7V 的差值对接受端都被认为是正确的。

2、拓扑结构

在这里插入图片描述

3、‘0’和‘1’表示

在这里插入图片描述

# RS-422 电平标准

RS-422 的电气性能与 RS-485 完全一样。主要的区别在于:RS-422 有 4 根信号线:两根发送、两根接收。由于 RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发(全双工),也正因为全双工要求收发要有单独的信道,所以 RS-422 适用于两个站之间通信,星型网、环网,不可用于总线网;RS-485 只有 2 根信号线,所以只能工作在半双工模式,常用于总线网。

# RS-232、RS-422 与 RS-485 比较

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-232RS-422RS-485
CableSingle endedSingle ended multi-dropMulti-drop
Number of Devices1 transmitter 1 receiver1 transmitter 10 receivers32 transmitters 32 receivers
Communication ModeFull duplexFull duplex, Half duplexFull duplex, Half duplex
Maximum Distance50 feet at 19.2 kbps4000 feet at 100 kbps4000 feet at 100 kbps
Max Data Rate (50 feet)1 mbps10 mbps10 mbps

RS232:3 线制、全双工、点对点通讯(因点对点通讯方式而无法联网,导致出现 RS485)

RS422:4 线制、全双工、点对多主从通讯(实际上还有一根信号地线,共 5 根线)

RS485:2 线式、半双工、点对多主从通讯(4 线制因只能点对点已经淘汰)

# CAN 总线

1、CAN

控制器局域网总线(CAN,Controller Area Network)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线,它可以使用双绞线来传输信号,是世界上应用最广泛的现场总线之一。

逻辑 '1' :-1.5V -- 0V ,逻辑 '0' :+1.5V -- +3V(这里的电平指 CAN_High、CAN_Low 两线间的电压差。)

2、拓扑结构

在这里插入图片描述

3、‘0’ 和 ‘1’ 表示

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

# CMOS 电平标准

1、CMOS

CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor。

Vcc:5V;VOH >= 4.45V;VOL <= 0.5V;VIH >= 3.5V;VIL <= 1.5V。

相对 TTL 有了更大的噪声容限,输入阻抗远大于 TTL 输入阻抗。

2、LVCMOS

LVCMOS:Low Voltage Complementary Metal Oxide Semiconductor。

3.3V LVCMOS: Vcc:3.3V;VOH >= 3.2V;VOL <= 0.1V;VIH >= 2.0V;VIL<=0.7V。

2.5V LVCMOS: Vcc:2.5V;VOH >= 2V;VOL <= 0.1V;VIH >= 1.7V;VIL <= 0.7V。

3、注意事项

LVCMOS 可以与 3.3V 的 LVTTL 直接相互驱动。

CMOS 电路不使用的输入端不能悬空。

# ECL 电平标准

1、ECL

ECL:Emitter Coupled Logic 发射极耦合逻辑电路(差分结构)。

Vcc:0V;Vee:-5.2V;VOH = -0.88V;VOL = -1.72V;VIH = -1.24V;VIL = -1.36V。

2、PECL

PECL:Pseudo / Positive ECL。

Vcc:5V;VOH = 4.12V;VOL = 3.28V;VIH = 3.78V;VIL = 3.64V 。

3、LVPECL

LVPECL:Low Voltage PECL。

Vcc:3.3V;VOH = 2.42V;VOL = 1.58V;VIH = 2.06V;VIL = 1.94V。

4、注意事项

射随输出结构,必须有电阻拉到一个直流偏置电压;由于 ECL 需要负电源,为简化电源产生了 PECL 和 LVPECL。

ECL:速度快,驱动能力强,噪声小,功耗大,很容易达到几百 M 的应用,需要负电源。

# LVDS 电平标准

1、产生原因

前面的电平标准摆幅都比较大,为降低电磁辐射,同时提高开关速度又推出 LVDS 电平标准。

2、LVDS

LVDS:Low Voltage Differential Signaling。LVDS 物理接口使用 1.2V 偏置电压作为基准,提供大约 400mV 摆幅。

LVDS 信号传输一般由三部分组成:差分信号发送器,差分信号互联器,差分信号接收 器。

3、注意事项

PCB 要求较高,差分线要求严格等长,差最好不超过 10mil(0.25mm)。

# GTL 电平标准

1、GTL

类似 CMOS 的一种结构,输入为比较器结构,比较器一端接参考电平,另一端接输入信号。1.2V 电源供电。

Vcc:1.2V;VOH >= 1.1V;VOL <= 0.4V;VIH >= 0.85V;VIL <= 0.75V 。

2、PGTL / GTL+

Vcc:1.5V;VOH >= 1.4V;VOL <= 0.46V;VIH>=1.2V;VIL <= 0.8V 。

# HSTL 电平标准

HSTL 是主要用于 QDR 存储器的一种电平标准:一般有 VCCIO = 1.8V 和 VCCIO = 1.5V。

和上面的 GTL 相似,输入为输入为比较器结构,比较器一端接参考电平(VCCIO / 2),另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1% 精度)。

# SSTL 电平标准

SSTL 主要用于 DDR 存储器。和 HSTL 基本相同。VCCIO = 2.5V,输入为输入为比较器结构,比较器一端接参考电平 1.25 V,另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1% 精度)。

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