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别再说你不懂了!|串口、COM口、UART、TTL、USB、RS-232、RS-485、I2C、SPI、CAN、1-WIRE

落一地梨花 1年前   阅读数 84 0

电子产品,电脑,汽车,鼠标,充电器,我们身边有很多接口,这篇博客带你认识这些口,知道长什么样子,用在什么地方,怎么用,原理是什么?

这篇博客只是简单介绍认识,总线接口类的详细内容,博主开设了一个专栏【总线接口】在持续更新中,有兴趣的可以阅读。

创作不易,老铁们请点赞支持!

一、串口

1、串口概述

  串行接口简称为串口,也叫串行通信接口,一般也叫COM口,这是一个统称,采用串行通信的接口都叫作串口,串口是一个硬件接口。

2、公头和母头

  有公头和母头之分,大家可以自行记忆,左边有孔的为母头,另外一个就为公头。

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3、串行和并行

  串行:计算机总线或其他数据通道上,每次传输一个位元数据,并连续进行以上单次过程的通信方式。并行:在串行端口上通过一次同时传输若干位元数据的方式进行通信,所以并行的速度比串行快。

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二、UART

  UART是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter的简称,意为通用异步收发传输器,UART包含TTL电平的串口和RS-232电平的串口,使用UART通信的双方设备需要遵从UART协议。

三、TTL电平

1、TTL概述

  TTL是Transistor-Transistor Logic的简写,是一种电平逻辑,晶体管-晶体管逻辑。

2、标准TTL电平逻辑

  逻辑1代表高电平,连接到电源VCC,逻辑0为低电平,连接到电源地。

  • 1 V C C 3.3 V / 5 V 逻辑1,高电平,VCC(3.3V/5V)
  • 0 G N D 0 V 逻辑0,低电平,GND(0V)

  TTL有电压范围,分为输出高、低电平和输入高、低电平,输出高电平用 V O H V_{OH} 表示,输出低电平用 V O L V_{OL} 表示;输入高电平用 V I H V_{IH} 表示,输入低电平用 V I L V_{IL} 表示。

  对TTL电平的器件来说,当输入电压高于2V时,才会被识别为逻辑1,输入的低电平低于1.2V时,才会被识别为0,这是为什么输出高电平2.4V,高于2V;输出低电平0.8V,低于1.2V的原因所在。如下是标准TTL电平,TTL有很多类型,电压有所区别。

  • V O H > 2.4 V V O L < 0.8 V V_{OH}>2.4V,V_{OL}<0.8V
  • V I H > 2.0 V V I L < 1.2 V V_{IH}>2.0V,V_{IL}<1.2V

3、USB转TTL

  玩过51单片机的小伙伴都用过CH340G模块,用来下载HEX文件,这个模块的作用就是将USB转成TTL电平,一般单片机的电平都是TTL电平,模块的内部芯片是CH340T,ST官方推荐。

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  使用CH340T芯片,USB转TTL电平的电路原理图。

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4、与单片机连接

  TTL电平的器件之间通信,只需要三根信号线:TXD、RXD和GND,和单片机接法很简单,3.3V单片机就接3.3V,5V单片机就接5V,如果单片机有单独的供电,3.3V和5V都不接。
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四、USB

1、USB概述

  USB是Universal Serial Bus(通用串行总线)的缩写,是一个外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯,是应用在PC领域的接口技术,特点是传输速度快,支持热插拔,可连接多个设备。

  我们在很多地方可以看到USB的身影,鼠标,键盘,手机充电器,现在几乎所有的电子充电设备都是USB接口,如下是各个USB的物理接口。

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2、USB速率

  • 1 M B / s = 8 M b p s 1 B y t e 8 b i t 1MB/s=8Mbps(1个Byte等于8bit)

  • U S B 1.0 L o w S p e e d 1.5 M b p s USB1.0 低速(Low Speed) 传输速率为 1.5Mbps

  • U S B 1.1 F u l l S p e e d 12 M b p s USB1.1 全速(Full Speed) 传输速率为 12Mbps

  • U S B 2.0 H i g h S p e e d 480 M b p s USB2.0 高速(High Speed) 传输速率为 480Mbps

  • U S B 3.0 S u p e r S p e e d 5 G b p s USB3.0 超速(SuperSpeed) 传输速率为 5Gbps

  • U S B 3.1 G e n 2 S u p e r S p e e d + 10 G b p s USB3.1 Gen2 超高速(SuperSpeed+) 传输速率为 10Gbps

3、USB接口定义

  最常见的的Type-A型USB接口定义如下。

Pin# Name 颜色
1 V B U S / + 5 V VBUS/+5V 红色
2 D / D a t a / D M D-/Data-/DM 白色
3 D + / D a t a + / D P D+/Data+/DP 绿色
4 G N D GND 黑色

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五、RS-232

1、RS-232概述

  RS-232接口符合美国电子工业联盟(EIA)制定的串行数据通信的接口标准,原始编号全称是EIA-RS-232(简称232,RS232)。它被广泛用于计算机串行接口外设连接,连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

2、RS-232电平逻辑

  RS-232不同于TTL的电平逻辑,为负逻辑,负12V代表高电平逻辑1,正12V代表低电平逻辑0,电压也有标准范围。

  • 1 15 V t o 3 V 高电平,逻辑1,-15Vto-3V
  • 0 3 V t o 15 低电平,逻辑0,+3V to +15

  除了TTL,RS232,还有一个CMOS电平标准

  • V O H > 0.9 V C C V_{OH}>0.9*VCC V O L < 0.1 V C C V_{OL}<0.1*VCC
  • V I H > 0.7 V C C V_{IH}>0.7*VCC V I L < 0.3 V C C V_{IL}<0.3*VCC

3、DB9接口定义

  下图是DB9公头和母头的定义,一般用的最多的是RXD、TXD、GND,三个信号。

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  工业场合还会用到DB-25的RS232,DB9和DB25接口可以转换。

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4、USB转RS-232

  USB转232,可以先将USB转换为TTL,再将TTL转换为RS232,当然市面上也有很多USB直接转RS232的线材,线材内部集成转换电路,淘宝上某USB转RS232用的两个芯片是FT232和SP213。

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5、TTL和RS-232互转

  单片机接口一般是TTL电平,如果需要接232电平的外设,就需要加TTL转RS232的模块,转换方向是双向的。

  TTL和RS232电平互相转换最常用的芯片是MAX232SP3232

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六、RS-485

1、RS-485概述

  RS-485和RS-232一样,都是串行通信标准,现在的标准名称是TIA/EIA-485-A,习惯称为RS-485标准,RS-485弥补了RS-232通信距离短,速率低的缺点。

  RS-485和RS-232单端传输不一样,是差分传输,使用一对双绞线,其中一根线定义为A,另一个定义为B。

2、RS-485电平逻辑

  RS-485是差分传输,一般收发器内部是一个发送器加一个收发器组成。下图是收发器典型的功能框图。

  对于使能信号,字母上面加一横的为低电平有效,不加的为高电平有效。

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  对于发送器,有如下的真值表

  • 当驱动器使能引脚 D E DE 为逻辑高时,差分输出 A A B B 遵循数据输入 D D 处的逻辑状态。 D D 处的逻辑高导致A转为高,B转为低。在这种情况下,定义为 V O D = V A V B V_{OD}=V_A–V_B 的差分输出电压为正。当 D D 为低时,输出状态反转, B B 变高, A A 变低, V O D V_{OD} 为负。
  • D E DE 低时,两个输出都变成高阻抗。在这种情况下,与 D D 处的逻辑状态是不相关的。

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  对于接收器,有如下的真值表

  • 当接收器使能引脚 R E RE 逻辑低时,接收器被激活。当定义为 V I D = V A V B V_{ID}=V_A–V_B 的差分输入电压为正且高于正输入阈值 V I T + V_{IT+} 时,接收机输出 R R 变高。当 V I D V_{ID} 为负且低于负输入阈值 V I T V_{IT-} ,接收机输出 R R 变低。如果 V I D V_{ID} V I T + V_{IT+} V I T V_{IT-} 之间,则输出不确定。
  • R E RE 为逻辑高或悬空时,接收机输出为高阻抗, V I D V_{ID} 的大小和极性无关。

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1、RS-485电平逻辑说明

  很多收发器的标准达到甚至超过TIA/EIA-485A规范,在实际使用中,以器件的SPEC参数为主。

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3、TTL和RS-485转换

  TTL转成RS-485很常见,收发器芯片市面上很多,比如MAX485,用起来也很简单,一般左边接MCU的GPIO,用来控制。

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4、RS-232和RS-485转换

  RS-232和RS-485之间可以转换,一个方法是RS-232转换成TTL,再由TTL转换为RS-485,当然也有芯片支持将RS-232支持转换成RS-485,双向转换。

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七、I2C

1、I2C概述

  I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线,I2C只需要两根线进行通信, S D A SDA (串行数据线)和 S C L SCL (串行时钟线)

  下图是I2C总线的典型结构,同一时刻可以单主机多从机单主机单从机,I2C总线上的任意设备都可以当主机,一般主机是MCU,当有多个主机时,会通过总线仲裁的方式选出一个主机,其他退出作从机。

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  想了解更多关于I2C总线的知识,可以看博主写的I2C总线博客。

2、I2C速率

  • 100 K b i t / s 标准模式:100Kbit/s
  • 400 K b i t / s 快速模式:400Kbit/s
  • 3.4 M b i t / s 高速模式:3.4Mbit/s

八、SPI

1、SPI概述

  SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写,是一种高速的,全双工,同步的通信总线,SPI的速率比I2C高,一般可以到几十Mbps,不同的器件当主机和当作从机的速率一般不同。

2、SPI信号线

  • M I S O M a s t e r I n p u t S l a v e O u t p u t MISO – Master Input Slave Output,主设备数据输入,从设备数据输出;
  • M O S I M a s t e r O u t p u t S l a v e I n p u t MOSI – Master Output Slave Input,主设备数据输出,从设备数据输入;
  • S C L K S e r i a l C l o c k SCLK – Serial Clock,时钟信号,由主设备产生;
  • C S C h i p S e l e c t 使 CS – Chip Select,从设备使能信号,由主设备控制;

3、SPI典型应用

  SPI最典型的应用是单主机单从机,下图是接线方式,当然也可以多从机。

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S P I 关于SPI的详细知识,博主后续会专门更新一篇博客介绍

九、CAN

1、CAN概述

  CAN是Controller Area Network的简称,是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,现在是汽车网络的标准协议。

2、CAN电平逻辑

电平 逻辑 总线Value
显性电平 0 CAN_H=3.5V,CAN_L=1.5V
隐性电平 1 CAN_H=2.5V,CAN_L=2.5V

  想了解更多关于CAN总线的知识,可以查看博主写的博客,传送门:CAN总线

十、1-WIRE

1、1-WIRE概述

  单总线是美国DALLAS公司推出的外围串行扩展总线技术,与SPI、I2C串行数据通信方式不同,它采用单根信号线,既传输时钟又传输数据,而且数据传输是双向的。

2、1-WIRE典型框图

  如下是1-WIRE的典型框图,可以看到微处理器和1-WIRE器件之间只有一根线。

  • 当MCU发送逻辑1时,经过反相器,总线呈现逻辑0,逻辑0经过1-WIRE器件的反相器,即会收到逻辑1

  • 当MCU发送逻辑0时,经过反向器,总线呈现逻辑1,逻辑1经过1-WIRE器件的反相器,即会收到逻辑0

  • 同理,当1WIRE器件发送逻辑1时,Tx处有NMOS会导通,总线呈现逻辑0,经过MCU Rx处的反相器,MCU会收到逻辑1

  • 发送逻辑0时,NMOS截止,总线呈现逻辑1,MCU会收到逻辑0

  想了解更多关于1-WIRE的知识,可以查看博主写的单总线(1-WIRE)博客。
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