搞懂TTL、RS232、485通信協(xié)議！

本文介紹了TTL、RS232和RS485這三種常見的通信協(xié)議的傳輸距離、應(yīng)用場(chǎng)景以及影響通信距離的各種因素。TTL是一種短距離通信標(biāo)準(zhǔn)，通常用于同一電路板內(nèi)的通信；RS232是一種傳統(tǒng)的串行通信協(xié)議，適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，傳輸距離有限；而RS485則是一種抗干擾能力強(qiáng)、適用于長(zhǎng)距離和多點(diǎn)通信的協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。文章還探討了波特率、連接線質(zhì)量和干擾因素如何影響這些協(xié)議的實(shí)際傳輸距離，并提供了如何優(yōu)化傳輸性能的建議。

TTL（Transistor-Transistor Logic，晶體管-晶體管邏輯）是一種數(shù)字電路的電平標(biāo)準(zhǔn)，用于表示邏輯狀態(tài)。TTL電平的定義基于電壓大?。?strong>邏輯低電平（0）：當(dāng)電壓在0V 到 0.8V 之間時(shí)，表示邏輯“0”或低電平。
邏輯高電平（1）：當(dāng)電壓在2V 到 5V 之間時(shí)，表示邏輯“1”或高電平。典型的TTL電平標(biāo)準(zhǔn)中，5V 被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的高電平電壓。
例如，在STM32單片機(jī)的串口引腳輸出中，3.3V 就是高電平。雖然傳統(tǒng)TTL標(biāo)準(zhǔn)通常基于5V電壓，但隨著技術(shù)的發(fā)展，不同設(shè)備使用的電壓逐漸降低，例如現(xiàn)代的DDR5內(nèi)存使用的供電電壓僅為1.1V。你可能會(huì)問，什么是邏輯電平？

邏輯電平指的是用特定電壓表示的電路狀態(tài)，通常表示為“0/1”或“開/關(guān)”或“LOW/HIGH”等。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，尤其是在低功耗和高速設(shè)計(jì)中，邏輯高電平的電壓越來越低，但其本質(zhì)依然是通過電壓的變化來表示數(shù)字信號(hào)的狀態(tài)。

RS232（全稱EIA-RS-232）是一種由 EIA（Electronic Industries Alliance，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)）制定的串行通信標(biāo)準(zhǔn)。RS 代表推薦標(biāo)準(zhǔn)（Recommended Standard），而 232 是該標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)號(hào)。RS232標(biāo)準(zhǔn)自推出以來有多個(gè)版本，包括 RS232A、RS232B、RS232C、RS232D、RS232E 和 RS232F 等，當(dāng)前最常用的是 RS-232C 版本。最初，RS232主要用于與調(diào)制解調(diào)器（modem）連接，因此其引腳定義與調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸密切相關(guān)。RS232標(biāo)準(zhǔn)早期常使用25針連接器（DB25），這一接口曾廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、傳真機(jī)等設(shè)備，但如今已經(jīng)很少見了。

現(xiàn)在，RS232更常用的連接器是 DB9，相信大家對(duì)這種接口不陌生。盡管 DB9 提供了9個(gè)引腳，但在大多數(shù)應(yīng)用中，通常只會(huì)使用到其中的 2、3、5 腳。以下是 DB9 接口的引腳定義及其功能：

盡管現(xiàn)在很多電腦的后面板上依然保留 DB9 接口，但由于USB等更先進(jìn)的接口技術(shù)的普及，RS232接口逐漸被邊緣化。然而，在一些嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制和老式設(shè)備中，RS232仍然是常見的通信接口。甚至在主板上，有時(shí)依然會(huì)找到預(yù)留的 DB9 接口，尤其是在一些工業(yè)計(jì)算機(jī)或嵌入式平臺(tái)上。

RS485可以說是在 RS232 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，旨在增加抗干擾能力和信號(hào)傳輸距離。RS232采用單端電壓來表示邏輯電平，比如±15V來代表邏輯高低電平。而RS485則采用差分電壓，即通過兩根信號(hào)線（A和B）上的電壓差來表示邏輯高低電平。通過這種差分傳輸方式，RS485能夠顯著提高抗干擾能力，適合在電磁干擾較大的工業(yè)環(huán)境中使用。另外，RS232 支持 全雙工（Full-Duplex）通信，即可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。而 RS485 通常工作在半雙工（Half-Duplex）模式，即發(fā)送和接收不能同時(shí)進(jìn)行，需要在發(fā)送和接收之間切換。這種半雙工模式使得RS485能夠在多個(gè)設(shè)備之間共享同一通信線路，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信。

總的來說，RS485在信號(hào)傳輸上具有更長(zhǎng)的距離（最大可達(dá)1200米），并且由于其差分信號(hào)的特點(diǎn)，它在抗干擾和多點(diǎn)通信方面優(yōu)于RS232，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集等場(chǎng)景。

在大學(xué)時(shí)，可能老師會(huì)告訴你：RS232的傳輸距離為15米，或者你在書籍上看到RS485的傳輸距離為1200米。然而，通信傳輸距離受多種因素影響，實(shí)際傳輸距離往往與理論值有很大差異。例如，在某些情況下，RS485即使傳輸500米也可能出現(xiàn)問題。
傳輸距離受到通訊方式、波特率、連接線質(zhì)量、干擾等因素的影響。以串口（UART）通信為例，這些因素都會(huì)直接影響信號(hào)的穩(wěn)定性和傳輸距離，因此實(shí)際應(yīng)用中，傳輸距離常常低于理論最大值。

這里提到的通訊方式，指的是標(biāo)題中提到的“TTL、RS232、485”等不同的通信協(xié)議。在實(shí)際應(yīng)用中，它們的通信距離和適用場(chǎng)景各有不同，通常情況下TTL < RS232 < RS485，其主要區(qū)別體現(xiàn)在通信方式、距離和抗干擾能力上。TTL（Transistor-Transistor Logic）傳輸距離：通常為1-2米。應(yīng)用場(chǎng)景：TTL主要用于同一電路板內(nèi)的通信，適合短距離和低速率的串行通信。例如，芯片A與芯片B之間的串口通信，通常在同一塊電路板或設(shè)備內(nèi)部。因?yàn)門TL信號(hào)沒有差分電壓，抗干擾能力差，所以不適合長(zhǎng)距離傳輸。RS232（Recommended Standard 232）傳輸距離：通常為10-15米，最高可達(dá)20米，但隨著距離增加，傳輸質(zhì)量會(huì)下降。應(yīng)用場(chǎng)景：RS232用于設(shè)備與設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，廣泛應(yīng)用于串口設(shè)備之間的連接，通常使用DB9或DB25連接器，或通過兩根信號(hào)線進(jìn)行通信。盡管RS232傳輸距離有限，但它依然被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、POS機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備之間的通信。RS485（Recommended Standard 485）傳輸距離：可達(dá)到1200米，且隨著傳輸速率降低，傳輸距離可以進(jìn)一步延長(zhǎng)。應(yīng)用場(chǎng)景：RS485廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域，尤其是在多點(diǎn)通信系統(tǒng)中。RS485采用差分信號(hào)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，適合長(zhǎng)距離、多設(shè)備的連接。一個(gè)常見的應(yīng)用就是在工業(yè)控制系統(tǒng)中，多個(gè)設(shè)備（如PLC、傳感器、調(diào)節(jié)器等）可以通過一條RS485總線進(jìn)行通信，支持長(zhǎng)距離（如幾百米甚至上千米）且多設(shè)備并行工作。比如，RS485廣泛應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、監(jiān)控系統(tǒng)、智能儀表等領(lǐng)域。

波特率（Baud Rate）指的是每秒鐘傳輸?shù)姆?hào)數(shù)，通常用于衡量通信速率。1波特等于每秒傳輸1個(gè)符號(hào)。你可以理解為傳輸信號(hào)的快慢，常見的串口波特率例如9600bps。波特率越高，信號(hào)的頻率也越高，傳輸速度就越快，但與此同時(shí)，傳輸?shù)木嚯x通常會(huì)變短，因?yàn)楦哳l信號(hào)容易受到衰減和噪聲干擾。例如，RS232的波特率可以非常高，比如115200bps，但如果在這個(gè)波特率下進(jìn)行通信，RS232的傳輸距離可能就會(huì)受到限制，通常在10米左右就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)衰減和誤碼現(xiàn)象。這是因?yàn)殡S著波特率的增加，信號(hào)頻率變高，衰減和干擾影響更顯著，尤其是在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)。因此，在選擇波特率時(shí)，需要綜合考慮傳輸距離和信號(hào)質(zhì)量，通常在長(zhǎng)距離通信時(shí)使用較低的波特率（如9600bps或19200bps），以確保穩(wěn)定的傳輸。

連接線是影響通訊距離和信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。連接線的材料（如銅、鋁、鐵）、粗細(xì)、是否帶有屏蔽層等都會(huì)直接影響信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和距離。比如，優(yōu)質(zhì)的銅線比鋁線或鐵線具有更低的電阻和更好的導(dǎo)電性，從而減少信號(hào)的衰減。而線纜的粗細(xì)也會(huì)影響傳輸距離，較粗的線纜通常具有較低的電阻，可以支持更遠(yuǎn)的傳輸距離。在干凈的環(huán)境（如實(shí)驗(yàn)室或辦公室）中，連接線的影響可能不太明顯，因?yàn)檫@些地方的電磁干擾較少，信號(hào)衰減也不明顯。但在復(fù)雜的環(huán)境（如工廠、尤其是大型機(jī)械設(shè)備較多的環(huán)境）中，電磁干擾和噪聲問題非常嚴(yán)重，信號(hào)衰減和誤碼可能會(huì)顯著增加。此時(shí)，連接線的質(zhì)量尤為重要。RS485采用差分信號(hào)傳輸，相比RS232的單端信號(hào)更具抗干擾能力。在工業(yè)環(huán)境中，RS485通常使用雙絞線，并且高質(zhì)量的線纜還帶有屏蔽層，能夠有效減少外界電磁干擾，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。因此，RS485在復(fù)雜環(huán)境中表現(xiàn)更為出色，尤其是在工業(yè)控制和自動(dòng)化系統(tǒng)中，能提供更遠(yuǎn)的傳輸距離和更強(qiáng)的抗干擾性。

在工業(yè)產(chǎn)品中，通信的穩(wěn)定性不僅與協(xié)議和連接線有關(guān)，干擾因素也是一個(gè)至關(guān)重要的考慮點(diǎn)。特別是在工業(yè)環(huán)境中，EMC（電磁兼容）要求非常高，且通信系統(tǒng)面臨各種電磁干擾（EMI）和噪聲的挑戰(zhàn)。比如，在一個(gè)工廠車間，如果旁邊的一個(gè)大型機(jī)械設(shè)備突然啟動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致你的通信鏈路失效，甚至引發(fā)芯片復(fù)位或系統(tǒng)死機(jī)等問題。
即使你以為RS485的傳輸距離可以達(dá)到1200米，在干擾嚴(yán)重的環(huán)境下，可能200米的通信距離就已經(jīng)面臨失敗。這是因?yàn)榇笮蜋C(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾（EMI），嚴(yán)重影響信號(hào)的穩(wěn)定性。