串口、UART、RS-232、RS-485、RS-422：终于有人把它们的关系讲清楚了

串口、UART、RS-232、RS-485、RS-422：终于有人把它们的关系讲清楚了

在嵌入式开发、工业控制和物联网领域，我们几乎天天都在和“串口”打交道。但有一个现象很有意思：很多工程师虽然能用好它，但当被问到“UART和RS-232到底有什么区别？”时，往往会陷入短暂的迷茫。

“串口不就是DB9接头吗？”
“RS-232和RS-485都是串口吧？”
“为什么232传不远，485就能传很远？”

今天，我们就来彻底理清这些概念之间的关系，尤其是那些最容易让人混淆的误区。

一、核心概念：三层模型

要理解这个问题，首先要在脑海中建立一个三层模型。所有的串行通信，都可以拆解为三个独立的层次：

绝大多数人的误解，都源于把这三层混为一谈。

二、逻辑层：UART（真正的“串口”）

当大家在代码里写 printf 或者配置 USART 寄存器时，打交道的就是 UART。

• 全称： Universal Asynchronous Receiver/Transmitter（通用异步收发器）。
• 本质： 它是一种通信协议，定义了一帧数据的长相。

UART 的一帧数据长什么样？

起始位(1位) + 数据位(5~8位) + 校验位(0/1位) + 停止位(1~2位)

关键点：

• 异步： 没有时钟线，靠双方的波特率（每秒多少位）来同步。
• 电平： 在芯片引脚上，通常是 TTL 电平：
  • 高电平（如 3.3V 或 5V）代表 逻辑 1
  • 低电平（如 0V）代表 逻辑 0
• 局限性： TTL电平信号线很短（几十厘米），抗干扰能力差，无法直接用于工业现场或长距离传输。

结论：UART 只是规定了数据的“格式”，没规定怎么把信号发到远距离的电缆上去。

三、物理层：三大电气标准

既然UART出来的信号（TTL电平）跑不远，就需要给这些信号加一层“驱动”，让它能适应不同的物理环境。这就是 RS-232、RS-485、RS-422 的由来。

它们本质上都是 “电平转换标准”，只解决物理传输问题，不关心数据里装的是什么。

1. RS-232：早期的“点对点”老将

这是大家最熟悉的，因为它就是老式电脑主机后面的DB9接口。

• 电气特性：
  • 逻辑 1： -15V ~ -3V
  • 逻辑 0： +3V ~ +15V
  • 注意： 它是单端传输，电压是对地测量的。
• 优缺点：
  • ✅ 简单： 线少（最少只需3根线：TXD, RXD, GND）。
  • ❌ 电压摆幅大： 需要正负电源，功耗高。
  • ❌ 抗干扰差： 单端信号，共模噪声抑制能力弱。
  • ❌ 传输距离短： 通常建议不超过15米。
• 容易误解的地方：
  • 误解： “RS-232接口就是DB9头。”
  • 正解： DB9只是最常用的连接器。RS-232标准本身并不强制使用DB9，只是规定了电气特性。很多工业设备内部其实是TTL串口，通过一个MAX232芯片才转成RS-232电平的。

2. RS-485：工业现场的“总线之王”

如果要在工业环境里跑几百米，或者挂几十个设备，就得靠RS-485。

• 电气特性：
  • 使用差分信号（两根线：A 和 B）。
  • 逻辑 1： 两根线电压差为负（B > A）
  • 逻辑 0： 两根线电压差为正（A > B）
  • 注意： 不依赖对地电压，只看两根线之间的电压差。
• 优缺点：
  • ✅ 抗干扰强： 差分传输，共模噪声被抵消。
  • ✅ 传输距离远： 可达1200米以上。
  • ✅ 支持多节点： 一条总线上可以挂最多256个设备（半双工）。
  • ✅ 速率高： 短距离下可达10Mbps以上。
• 容易误解的地方：
  • 误解： “RS-485是串口协议。”
  • 正解： RS-485只是物理层。你在上面跑Modbus协议是串口数据，跑Profibus协议也是串口数据，甚至跑自定义的简单脉冲信号都可以。它只负责传输0和1。
  • 误解： “RS-485是全双工的。”
  • 正解： 标准RS-485是半双工的。收发不能同时进行，需要软件或硬件控制收发切换。如果想全双工，请看下面的RS-422。

3. RS-422：全双工的“增强版单主机”

RS-422可以理解为RS-485的“大哥”，或者说是RS-485的全双工变种。

• 电气特性：
  • 也是差分信号，原理与RS-485相同。
  • 但通常有两对线：一对用于发送（TX+ / TX-），一对用于接收（RX+ / RX-）。
• 与RS-485的主要区别：
  • 工作模式： RS-422是全双工（可以同时发和收），RS-485是半双工（同一时刻只能发或收）。
  • 拓扑结构： RS-422只允许一个发送端（驱动器），但可以有多个接收端。它是一个驱动带多个负载。RS-485允许多个发送端（都是驱动器）。
• 容易误解的地方：
  • 误解： “RS-422就是4线的RS-485。”
  • 正解： 硬件连线虽然很像（都是差分对），但芯片的驱动能力不同。RS-422的驱动器不能在总线上被禁用（三态），所以不能像RS-485那样组成多主机网络。如果把RS-422芯片用在RS-485总线上，可能会烧毁芯片或者总线冲突。

四、经典误区大扫盲

结合上面的三层模型，我们来回答几个最常见的坑：

误区1：“232/485/422是串口协议”

纠正： 它们是物理层标准。真正的串口协议（数据格式）是UART定义的。你可以把UART数据通过RS-232发出去，也可以通过RS-485发出去，内容完全一样，只是电信号表现形式不同。

误区2：“TTL串口就是RS-232”

纠正： 这是导致单片机烧毁的最常见原因！

• TTL串口： 0V 和 3.3V/5V。
• RS-232串口： -15V~-3V 和 +3V~+15V。
  直接连接会烧芯片。必须用 MAX232 之类的电平转换芯片。

误区3：“485总线就两根线，比232先进”

纠正： 各有用途。232是全双工（虽然线少是因为收发分开），485虽然是两根线但通常是半双工。485的“两根线”是指驱动线，它节省了线缆，但牺牲了同时收发的能力。

误区4：“DB9接口 = RS-232”

纠正： DB9只是一个9针的连接器外壳。很多工业设备用DB9接口，但里面跑的是RS-485信号。例如某些PLC的编程口，虽然也是DB9，但引脚定义完全不是标准的RS-232。所以做工程时不要只看接口形状，一定要看图纸上的引脚定义。

五、一张图总结它们的关系

为了更直观地理解，可以看这个层次关系：

一句话总结：
UART 打包好行李（数据），然后交给 RS-232（出租车）或者 RS-485（长途大巴）或者 RS-422（专车），通过 DB9（车门）上车出发。

下次再看到“串口”这两个字，希望能先想一下：对方指的是逻辑层的UART协议，还是物理层的电气接口，还是仅仅是那个DB9的物理接口？分清这三层，串口通信的所有困惑都会迎刃而解。