【电路“芯”说】聊聊你知道的串口

文/Edward

“这个STM32开发板用MCUISP怎么下载程序啊？”站在一旁的小明（化名）问我。“用那个USB转TTL的转接口下载”我回答道。过了一会，小明又来问我“这里的什么DTR，RTS选项怎么选？”。我过去一看就说“这个DTR和RTS是RS232串口独有的，我们没有用到。”小明疑惑地又问我“我们不是用的串口吗？怎么会没有？而且我之前用串口的时候，也不记得有用到这两根线啊？”。“你知道RS232和TTL的区别吗？”我问道。小明想了想说“它们两个不是一样的东西吗？”。看着他自信又天真的脸庞，我又滔滔不绝地和他说了起来……

串口是最简单的串行接口和调试工具

上点年纪的朋友都知道，最早期的51单片机可没有现在的这么多外设，什么内置ADC，SPI，CAN，I2C，DMA等等，唯一有的就只有四种类型的外设：GPIO，定时器，外部中断还有就是我们今天要说的串口。从那时候就出道的工程师一直工作到现在，接触了形形色色的MCU或者MPU，最早期的很多外设到如今已经面目全非了，或许在51单片机盛行的年代，你能很清楚地画出其IO口的内部结构，但是现在单片机的IO口显然要强大且复杂得多。真可谓沧海变桑田。不过，这些外设中唯一有一个到目前为止还是觉得那么亲切，那就是串口。尽管配置方式和之前的51单片机有着很大的不同，但是其最基本的参数如波特率，起始位，数据长度，停止位依旧是那么熟悉。

TTL串口

“串口”这一词是个含义很广的词，所有用串行方式传递数据的接口都可以被称为串口，而我们印象中最熟悉的那个“串口”其实是“TTL串口”。TTL（Transistor-Transistor Logic）也称双极型晶体管（三极管）逻辑，由于在早期的半导体都是双极型晶体管工艺的，所以就用这个名字来称呼我们常用的那个串口。在TTL逻辑中，规定了以0V表示逻辑“0”，以5V表示逻辑“1”。这种规定只是针对以前那种TTL工艺下的芯片所指定的，由于目前的半导体都为CMOS技术，因此但凡满足CMOS电平的串口也沿用了“TTL串口这个名称”。

一个“TTL串口”是由三根线组成的，分别是数据发送线（TXD），数据接收线（RXD），和公共地（GND）。在连接两个TTL串口设备的时候，需要将一片的TXD线连接到另一片的RXD线上，一片的RXD线连接到另一片的TXD线上，两片的GND线连接在一起。

  RS232串口

RS232串口和TTL串口的区别在于，两者所使用的电平格式不一样。RS232的电平标准为+12V为逻辑负，-12为逻辑正。RS232在之前的台式机上，是必备的通讯接口之一，但是随着USB和后来TYPE-C USB的兴起，现在基本已经看不见其踪影。值得一提的是，RS232标准是由电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA） 所制定的异步传输标准接口。

RS232串口出现在个人计算机上的时候，往往又被称为“COM口”。目前的串口都为九线制的RS232口，其连接器的形状一般都为D-SUB 9接口，而在历史的发展中，还出现过一种25线的RS232口，但是目前已经见不到了。

在9针的RS232串口中，我们一般用来使用的也就是其中的RXD，TXD和GND这三根线，这个和TTL串口使用的数据线是一样的。而剩余的6根线分别是早期做PC和外设通讯时候的控制信号线，目前很少会用到。其实在目前的一些单片机上面，它们的TTL外设上面也都还保留了这些串口的控制线，只不过我们很少用到而已。

  协议转换

TTL和RS232串口的协议转换思路其实很简单，第一步是电压的转换，将±12V的电压转换成0和5V的电压即可。第二步是逻辑的转换，将RS232的负逻辑转换成TTL的正逻辑即可。

在我们平时使用中，有一个系列的芯片可以专门用来转换TTL串口和RS232串口，这个芯片就是MAX232/MAX3232。MAX232是一种专门为电脑的RS-232标准串口设计的双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。但是如果单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，因此要通过MAX232这种类似的芯片进行电平转换。MAX232在使用中应该尽量避免热插拔，因为RS232的电平比较高，所以其在接通时产生的瞬时电涌会非常高，因此MAX232很有可能被击毁。

而MAX3232和MAX232的功能一样，它们最大的区别为：MAX232是5V供电的芯片，而MAX3232是3.3V供电的芯片。

另外，由于我们目前使用的笔记本电脑，基本上没有串口流出了，而仅仅留出几个USB接口，因此需要将TTL转换成USB协议，这种协议的转换就比较麻烦，但是也有特定的转换芯片。

CH340

CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口或者USB转打印口。

其特点为：

• 全速USB设备接口，兼容USB V2.0。
• 仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口。
• 计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。
• 硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps～2Mbps。
• 支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。
• 通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。
• CH340R芯片支持IrDA规范SIR红外线通讯，支持波特率2400bps到115200bps。
• 内置固件，软件兼容CH341，可以直接使用CH341的VCP驱动程序。
• 支持5V电源电压和3.3V电源电压甚至3V电源电压。
• CH340C/N/K/E及CH340B内置时钟，无需外部晶振，CH340B还内置EEPROM用于配置序列号等。
• 提供SOP-16、SOP-8和SSOP-20以及ESSOP-10、MSOP-10无铅封装，兼容RoHS。

PL2303

PL2303 是Prolific 公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232 全双工异步串行通信装置与USB 功能接口便利连接的解决方案。早前的PL2303很有竞争力，但是目前市场越来越多地被CH340抢去，另外它对Windows 10的兼容，简直一团糟糕。

除了CH340和PL2303，还有一些其他的芯片，如cp210x等，但是这些芯片中，我首推的还是CH340，因为这个芯片是国产的，而且价格便宜，电路简单。

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