串口波形分析（TTL，RS232，RS485）
TTL，RS232，RS485波形分析
本文转自：
如果单片机串行通讯出了问题，最有效的调试方法是用示波器观察收发数据的波形。通过观察波形可以确定以下情况：
1、是否有数据接收或发送；
2、数据是否正确；
3、波特率是否正确； 一、串行数据的格式
异步串行数据的一般格式是：起始位+数据位+停止位，其中起始位1 位，数据位可以是5、6、7、8位，停止位可以是1、1.5、2位。
起始位是一个值为0的位，所以对于正逻辑的TTL电平，起始位是一位时间的低电平；停止位是值为1的位，所以对于正逻辑的TTL电平，停止位是高电平。线路路空闲或者数据传输结束，对于正逻辑的TTL电平，线路总是1。对于负逻辑(如RS-232电平)则相反。
例如，对于16进制数据55aaH，当采用8位数据位、1位停止位传输时，它在信号线上的波形如图1(TTL电平)和图2(RS-232电平)所示。 （先传第一个字节55，再传第二个字节aa，每个字节都是从低位向高位逐位传输）
TTL电平的串行数据帧格式(55aah)
RS-232电平的串行数据帧格式(55aah)
1.该图是TTL电平同相位的逻辑
2.波特率设置时 38400
3.串口发送的是 0x55
4.串口设置为8N1
二、根据波形图计算波特率
如图4是图1在示波器中的显示示意，其中灰色线是示波器的时间分度线，此时假设是200us/格。
图4 波特率计算示意图
可以看了，第一个字节的10位(1位起始位，8位数据位和1位停止位)共占约1.05ms，这样可计算出其波特率约为：
10bit / 1.05ms X 1000 ≈ 9600 bit/s
如果上图中的时间轴是100us/格，同样可以计算出波特率应是19200bit/s。
当通讯不正常，又能观察到波形时，就可根据上述方法，从波形图计算一下波特率是否正确。
三、根据波形图判断RS-485收发数据的正确与否
RS-485是一种半双工的串行通讯方式（RS-422为全双工），485电平芯片所以要正确接收和发送数据，必需保证控制信号和数据的同步，否则要么发送数据丢失，要么接收数据可能丢失。
RS-485发送数据时的正确时序如图5所示。
图5 RS-485的正确发送数据时序
在图5中，发送控制信号的宽度基本与数据信号的宽度一致，所以能保证发送数据的正确和发送后及时转为接收。
图6 和图7 分别是控制信号太短和控制信号太长的情况。
图6 RS-485控制信号太短时的时序
图7 RS-485控制信号太短时的时序
在图6中，由于控制信号关闭过早，则第二个字节的后两位将发送错误；在图7中，由于控制信号关闭过迟，使485芯片在发送数据后，不能及时转到接收状态，此时总线若有数据过来，则本单元将不能正确接收。
掌握了上述波形分析方法，任何异步串行数据的接收和发送问题，基本都可以得到解决。
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ARM（Advanced RISC Machines）是对一类微处理器的通称。ARM是微处理器行业的一家知名企业，它设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM微处理器是一种高性能、低功耗的32位微处理器，该处理器广泛应用于嵌入式系统中。ARM 9代表了ARM公司主流的处理器，已经在手持电话、机顶盒、数码相机、GPS、个人数字助理以及因特网设备等方面有了广泛的应用。在此，以ST公司生产的ARM 9系列中典型的STR912FW44X6芯片作为硬件开发平台的MCU，完成了基于ARM的太阳能发电系统中数据采集与传输系统的硬件设计，并提出了一种利用串口代替串121来进行通信的新方法。
l 硬件总体设计框架
硬件总体设计框架如图1所示。
图1 硬件总体设计框架
2 硬件介绍
现以STR912FW44X6芯片作为硬件开发平台的MCU，STR912FW44X6外扩张了点阵LCD显示屏、输入按键、UART接口、IrDA、CAN、USB、ETM接口、音频放大器/话筒放大器和接口。其中，本文使用的有UART接口和以太网接口。UART接口分为一个RS 232串口和两个RS 485串口。RS 232串口用来与GSM模块的RS 232串口相连，以实现GPRS的无线传输；两个RS 485串口，一个用来作MODBUS通信接口，另一个用来接电度表计，以采集统计并显示太阳能发电系统的发电量。以太网通过网线连接到网络，以实现数据的无线传输。
3 硬件电路设计和功能实现
3.1 RS 232串口的电路设计和功能实现
RS 232是一种串行数据接口标准，是目前最常用的串行接口标准，用于计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据传输。RS 232串行接口总线适用于设备之间通信距离不大于15 m，传输速率最大为20 KB/s.
RS 232串口是通过ST公司生产的ST3232EAR来实现的。ST3232EAR是一种把电脑的串行口RS 232信号电平（-lO V，+10 V）转换为单片机所用到的TTL信号电平（O V，+3.3 V）的芯片。它的内部结构由三部分组成：第一部分是电荷泵电路，由1～6脚和4只电容构成。其功能是产生+12 V和-12 V两个电源，为RS 232串口提供电平的需要。第二部分是数据转换通道，由7～14脚构成2个数据通道。其中，13脚（RlIN）、12脚（R1OUT）、11脚（TlIN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道；8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从TlIN，T2IN输入转换成RS 232数据，从T1OUT，T20UT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS 232数据从RlIN，R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后，从R1OUT，R2OUT输出。第三部分是供电，由15脚GND、16脚VCC（+5 V）构成。
通过将MCU中GPIO的RXD和TXD分别与ST3232的12脚（R1OUT）和11脚（T1IN）相连，使14脚（T10UT）和13脚（R1IN）输出RS 232电平，然后连接GSM模块RS 232串口和MCU板上的RS 232串口，可以通过向RS 232接口写AT指令来达到控制GSM模块功能的目的，以通过GPRS实现数据的传输。
3.2 RS 485串口的电路设计和功能实现
RS 485是用来采集太阳能发电系统数据的，这里之所以采用RS 485而不采用RS 232，是因为RS 485比RS 232具有很多优势。RS 232采取不平衡传输方式，即单端通信，其收发端的数据信号都是相对于地信号的。所以它的共模抑制能力差，再加上双绞线的分布电容，其传输距离最大约为15 m，最高速率为20 KB/s，且其只能支持点对点通信。而RS 485采用平衡发送和差分接受方式实现通信，由于传输线通常使用双绞线，有时差分传输，所以有极强的抗共模干扰能力，总线收发器的灵敏度很高，可以检测到低至200 mV的电压，故其传输信号在千米以上是可以恢复的。RS 485的最大通信距离约为1 219 m，最大传输速率为10 MB/s，它采用双半工工作方式，可支持多点数据通信，其总线一般最大支持32个节点。
RS 485接口芯片采用的是ADM3485.ADM3485采用单一电源+3.3 V工作，半双工通信方式，可完成将TTL电平转换为RS 485电平的功能。ADM34185芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和一个接收器，RO和DI端分别为接收器的输出端和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可。RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为ADM3485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可。A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时。代表发送的数据为O.在与单片机连接时接线非常简单，只需要一个信号控制ADM3485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100&O的电阻。该设计有两个RS 485，其中一个用来作MODBUS通信接口，另一个用来接电度表，以采集统计并显示太阳能发电系统的发电量。
3.3 以太网的电路设计和功能实现
以太网网口采用的是T-01，以太网物理层接口芯片采用的是ST公司的STElOOP快速以太网物理层芯片。以太网接口芯片提供了一组媒体独立接口（MII）。媒体独立指的是在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。MII接口是快速以太网MAC层与PHY层之间的标准接口，是IEEE 802.3定义的以太网行业的标准。它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。
通过管理接口，上层监视和控制PHY.基于以太网的TCP/IP通信，使ARM可以通过网线进行联网，并可以实时地与计算机进行通信，用来传输太阳能发电系统的实时数据。
提出一种利用RS 485串口代替RS 232串口进行通信的新方法。这种方法解决了RS 232串口在传输距离和节点数量的限制，大大提高了数据传输的能力。
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串口、COM口、TTL、RS232、RS485区别详解
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一个嵌入式工程师，无论你做硬件还是软件都会接触到串口、COM口、TTL、RS232、RS485这些概念的。你是否也会一遇到这个概念就要百度一下，谷歌搜过呢？下面就为大家介绍它们之间恩怨情仇吧。
一言不合就说重点了哦：
1串口、COM口是指的物理接口形式(硬件)。而TTL、RS-232、RS-485是指的电平标准(电信号)。
2接设备的时候，一般只接GND RX TX。不会接Vcc或者+3.3v的电源线，避免与目标设备上的供电冲突。
3PL2303、CP2102芯片都是常用的USB转TTL串口的芯片，用USB来扩展串口(TTL电平)。更多学习交流可以加Q
4MAX23芯片是TTL电平与RS232电平的专用双向转换芯片，可以TTL转RS-232，也可以RS-232转TTL。
5TTL标准是低电平为0，高电平为1（+5V电平）。RS-232标准是正电平为0，负电平为1（±15V电平）。
6RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。串口、COM口COM口即串行通讯端口，简称串口。一般我们见到的是两种物理标准。D型9针插头，和 4针杜邦头两种，如下图所示。如果是个USB转TTL串口的小板的情况下，可以用USB扩展出一个串口。对于使用笔记本或者没有COM的台机开发的嵌入式工程师来说就是必备工具呀。除了可以使用串口给MCU下载程序外，还是辅助调试程序的神器。插播一个广告，它还可以结合软件让你的MCU能够使用printf()函数呢，详细可以查看历史文章《为什么别人家的串口可以用printf(…)》。更多学习交流可以加Q:RS232:上边介绍的都是USB转TTL串口，如果目标设备上是RS-232串口(D型9针接口)可咋整呀？再接一片MAX232转换一下就行，如下图。你也可以搭一个简单的比较器电路，来实现TTL转RS-232的功能，RS485在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺（约1219米），实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。
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