串口、COM口、UART、TTL、USB、RS-232、RS-485、I2C、SPI、CAN、1-WIRE
電子產(chǎn)品，如電腦，鼠標(biāo)，充電器，包括汽車(chē)等，在我們的身邊有很多接口，帶你認(rèn)識(shí)這些接口，知道長(zhǎng)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(jiǎn)單描述，入門(mén)級(jí)。
一、串口
1、串口概述
??串行接口簡(jiǎn)稱為串口，也叫串行通信接口，一般也叫COM口，這是一個(gè)統(tǒng)稱，采用串行通信的接口都叫作串口，串口是一個(gè)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(gè)就為公頭。
3、串行和并行
??串行：計(jì)算機(jī)總線或其他數(shù)據(jù)通道上，每次傳輸一個(gè)位元數(shù)據(jù)，并連續(xù)進(jìn)行以上單次過(guò)程的通信方式。
??并行：在串行端口上通過(guò)一次同時(shí)傳輸若干位元數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行通信，所以并行的速度比串行快。
二、UART
??UART是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter的簡(jiǎn)稱，意為通用異步收發(fā)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(shè)備都需要遵從UART協(xié)議。
三、TTL電平
1、TTL概述
??TTL是Transistor-Transistor Logic的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種電平邏輯，晶體管-晶體管邏輯。
2、標(biāo)準(zhǔn)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(duì)TTL電平的器件來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸入電壓高于2V時(shí)，才會(huì)被識(shí)別為邏輯1，輸入的低電平低于1.2V時(shí)，才會(huì)被識(shí)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(biāo)準(zhǔn)TTL電平，TTL有很多類型，電壓有所區(qū)別。
3、USB轉(zhuǎn)TTL
??玩過(guò)51單片機(jī)的小伙伴都用過(guò)CH340G模塊，用來(lái)下載HEX文件，這個(gè)模塊的作用就是將USB轉(zhuǎn)成TTL電平，一般單片機(jī)的電平都是TTL電平，模塊的內(nèi)部芯片是CH340T，ST官方推薦。
USB轉(zhuǎn)TTL模塊
??使用CH340T芯片，USB轉(zhuǎn)TTL電平的電路原理圖。
USB
轉(zhuǎn)
TTL
原理圖
4、與單片機(jī)連接
??TTL電平的器件之間通信，只需要三根信號(hào)線：TXD、RXD和GND，和單片機(jī)接法很簡(jiǎn)單，3.3V單片機(jī)就接3.3V，5V單片機(jī)就接5V，如果單片機(jī)有單獨(dú)的供電，3.3V和5V都不接。
USB轉(zhuǎn)TTL模塊與單片機(jī)的連接
四、USB
1、USB概述
??USB是Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫(xiě)，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊，是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)，特點(diǎn)是傳輸速度快，支持熱插拔，可連接多個(gè)設(shè)備。
??我們?cè)诤芏嗟胤娇梢钥吹経SB的身影，鼠標(biāo)，鍵盤(pán)，手機(jī)充電器，現(xiàn)在幾乎所有的電子充電設(shè)備都是USB接口，如下是各個(gè)USB的物理接口。
USB
接口分類
2、USB速率
1MB/s=8Mbps（1個(gè)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(jiàn)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(guó)電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，原始編號(hào)全稱是EIA-RS-232（簡(jiǎn)稱232，RS232）。它被廣泛用于計(jì)算機(jī)串行接口外設(shè)連接，連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程。
2、RS-232電平邏輯
??RS-232不同于TTL的電平邏輯，為負(fù)邏輯，負(fù)12V代表高電平邏輯1，正12V代表低電平邏輯0，電壓也有標(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)的還有一個(gè)CMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓范圍如下：
， ，
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(gè)信號(hào)。
DB9
公頭和母頭接口信號(hào)定義
??工業(yè)場(chǎng)合還會(huì)用到DB-25的RS232，DB9和DB25接口可以轉(zhuǎn)換。
DB9
轉(zhuǎn)
DB25
4、USB轉(zhuǎn)RS-232
??USB轉(zhuǎn)232，可以先將USB轉(zhuǎn)換為T(mén)TL，再將TTL轉(zhuǎn)換為RS232，當(dāng)然市面上也有很多USB直接轉(zhuǎn)RS232的線材，線材內(nèi)部集成轉(zhuǎn)換電路，淘寶上某USB轉(zhuǎn)RS232用的兩個(gè)芯片是FT232和SP213。
USB
轉(zhuǎn)
RS232
線材
5、TTL和RS-232互轉(zhuǎn)
??單片機(jī)接口一般是TTL電平，如果接232電平的外設(shè)，就需要加TTL轉(zhuǎn)RS232的模塊，轉(zhuǎn)換方向是雙向的。
??TTL和RS232電平互相轉(zhuǎn)換最常用的芯片是MAX232和SP3232。
TTL和RS-232轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)名稱是TIA/EIA-485-A，習(xí)慣稱為RS-485標(biāo)準(zhǔn)，RS-485彌補(bǔ)了RS-232通信距離短，速率低的缺點(diǎn)。
??RS-485和RS-232單端傳輸不一樣，是差分傳輸，使用一對(duì)雙絞線，其中一根線定義為A，另一個(gè)定義為B。
2、RS-485電平邏輯
??RS-485是差分傳輸，一般收發(fā)器內(nèi)部是一個(gè)發(fā)送器加一個(gè)收發(fā)器組成。下圖是收發(fā)器典型的功能框圖。
??對(duì)于使能信號(hào)，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(nèi)部結(jié)構(gòu)
對(duì)于發(fā)送器，有如下的真值表：
當(dāng)驅(qū)動(dòng)器使能引腳 為邏輯高時(shí)，差分輸出 和 遵循數(shù)據(jù)輸入 處的邏輯狀態(tài)。 處的邏輯高導(dǎo)致A轉(zhuǎn)為高，B轉(zhuǎn)為低。在這種情況下，定義為 的差分輸出電壓為正。當(dāng) 為低時(shí)，輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)， 變高， 變低， 為負(fù)。 當(dāng) 低時(shí)，兩個(gè)輸出都變成高阻抗。在這種情況下，與 處的邏輯狀態(tài)是不相關(guān)的。
RS-485
發(fā)送器真值表
??對(duì)于接收器，有如下的真值表：
當(dāng)接收器使能引腳 邏輯低時(shí)，接收器被激活。當(dāng)定義為 的差分輸入電壓為正且高于正輸入閾值 時(shí)，接收機(jī)輸出 變高。當(dāng) 為負(fù)且低于負(fù)輸入閾值 ，接收機(jī)輸出 變低。如果 在 和 之間，則輸出不確定。 當(dāng) 為邏輯高或懸空時(shí)，接收機(jī)輸出為高阻抗， 的大小和極性無(wú)關(guān)。
RS-485接受器真值表
RS-485電平邏輯說(shuō)明
??很多收發(fā)器的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到甚至超過(guò)TIA/EIA-485A規(guī)范，在實(shí)際使用中，以器件的SPEC參數(shù)為主。
3、TTL和RS-485轉(zhuǎn)換
??TTL轉(zhuǎn)成RS-485很常見(jiàn)，收發(fā)器芯片市面上很多，比如MAX485，用起來(lái)也很簡(jiǎn)單，一般左邊接MCU的GPIO，用來(lái)控制。
TTL轉(zhuǎn)RS-485
4、RS-232和RS-485轉(zhuǎn)換
??RS-232和RS-485之間可以轉(zhuǎn)換，一個(gè)方法是RS-232轉(zhuǎn)換成TTL，再由TTL轉(zhuǎn)換為RS-485，當(dāng)然也有芯片支持將RS-232支持轉(zhuǎn)換成RS-485，雙向轉(zhuǎn)換。
RS-232和RS-485轉(zhuǎn)換模塊
七、IIC
1、IIC概述
??IIC總線是由Philips公司開(kāi)發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線，IIC只需要兩根線進(jìn)行通信，SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時(shí)鐘線）
??下圖是I2C總線的典型結(jié)構(gòu)，同一時(shí)刻可以單主機(jī)多從機(jī)或單主機(jī)單從機(jī)，I2C總線上的任意設(shè)備都可以當(dāng)主機(jī)，一般主機(jī)是MCU，當(dāng)有多個(gè)主機(jī)時(shí)，會(huì)通過(guò)總線仲裁的方式選出一個(gè)主機(jī)，其他退出作從機(jī)。
IIC總線架構(gòu)
2、IIC速率
標(biāo)準(zhǔn)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(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫(xiě)，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(dāng)主機(jī)和當(dāng)作從機(jī)的速率一般不同。
2、SPI信號(hào)線
MISO – Master Input Slave Output，主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出； MOSI – Master Output Slave Input，主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入； SCLK – Serial Clock，時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生； CS – Chip Select，從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制；
3、SPI典型應(yīng)用
??SPI最典型的應(yīng)用是單主機(jī)單從機(jī)，下圖是接線方式，當(dāng)然也可以多從機(jī)。
SPI單主機(jī)單從機(jī)連接方式
九、CAN
1、CAN概述
??CAN是Controller Area Network的簡(jiǎn)稱，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在是汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)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(guó)DALLAS公司推出的外圍串行擴(kuò)展總線技術(shù)，與SPI、I2C串行數(shù)據(jù)通信方式不同，它采用單根信號(hào)線，既傳輸時(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)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(dāng)MCU發(fā)送邏輯1時(shí)，經(jīng)過(guò)反相器，總線呈現(xiàn)邏輯0，邏輯0經(jīng)過(guò)1-WIRE器件的反相器，即會(huì)收到邏輯1；
當(dāng)MCU發(fā)送邏輯0時(shí)，經(jīng)過(guò)反向器，總線呈現(xiàn)邏輯1，邏輯1經(jīng)過(guò)1-WIRE器件的反相器，即會(huì)收到邏輯0；
同理，當(dāng)1WIRE器件發(fā)送邏輯1時(shí)，Tx處有NMOS會(huì)導(dǎo)通，總線呈現(xiàn)邏輯0，經(jīng)過(guò)MCU Rx處的反相器，MCU會(huì)收到邏輯1；
發(fā)送邏輯0時(shí)，NMOS截止，總線呈現(xiàn)邏輯1，MCU會(huì)收到邏輯0；
1-WIRE
結(jié)構(gòu)圖
本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“記得誠(chéng)”，作者：記得誠(chéng)
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