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

電子產品,如電腦,鼠標,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,知道長什么樣子,用在什么地方,怎么用,原理是什么?這篇文章僅僅作為簡單描述,入門級。

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管理員 2021-03-09 01:43

電子產品,如電腦,鼠標,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,知道長什么樣子,用在什么地方,怎么用,原理是什么?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,采用串行通信的接口都叫作串口,串口是一個硬件接口。

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、串行和并行

??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,并連續進行以上單次過程的通信方式。

??并行:在串行端口上通過一次同時傳輸若干位元數據的方式進行通信,所以并行的速度比串行快。

串行和并行

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,晶體管-晶體管邏輯。

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。

  • 邏輯1,高電平,VCC(3.3V/5V)
  • 邏輯0,低電平,GND(0V)

??TTL有電壓范圍,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,當輸入電壓高于2V時,才會被識別為邏輯1,輸入的低電平低于1.2V時,才會被識別為0,這是為什么輸出高電平2.4V,高于2V;輸出低電平0.8V,低于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。

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3、USB轉TTL

??玩過51單片機的小伙伴都用過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,模塊的內部芯片是CH340T,ST官方推薦。

USB轉TTL模塊

??使用CH340T芯片,USB轉TTL電平的電路原理圖。

USB??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,用于規范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,鼠標,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等于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)。它被廣泛用于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不同于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,電壓也有標準范圍。

  • 高電平,邏輯1,-15V to -3V
  • 低電平,邏輯0,+3V ?to +15

??除了TTL和RS232,常見的還有一個CMOS電平標準,電壓范圍如下:

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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??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用的兩個芯片是FT232和SP213。

USB??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芯片是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。

??對于使能信號,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

? ? ? ? ? 對于發送器,有如下的真值表:

  • 當驅動器使能引腳?為邏輯高時,差分輸出??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。
  • ?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

??對于接收器,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于正輸入閾值時,接收機輸出?變高。當?為負且低于負輸入閾值?,接收機輸出?變低。如果???之間,則輸出不確定。
  • ?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規范,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,收發器芯片市面上很多,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,當然也有芯片支持將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

  • 標準模式:100Kbit/s
  • 快速模式:400Kbit/s
  • 高速模式:3.4Mbit/s

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,它采用單根信號線,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



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