UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)
定义与功能
UART（通用异步收发器）是一种广泛应用于嵌入式系统和其他电子设备中的串行通信接口标准。它负责在两个设备之间按位（bit-by-bit）发送和接收数据，采用异步通信方式，即不需要共享时钟信号来同步数据传输。UART的核心功能包括数据的串并转换、起始位和停止位的添加与检测、奇偶校验的生成与验证（可选），以及波特率（比特率）的设定。一个典型的UART接口通常包括以下引脚：
TX (Transmit): 数据发送端，用于向另一设备输出串行数据。
RX (Receive): 数据接收端，用于从另一设备接收串行数据。
RTS (Request to Send): 控制信号，发送方通知接收方准备接收数据。
CTS (Clear to Send): 控制信号，接收方告知发送方可以开始发送数据。
GND (Ground): 共享参考地线，确保双方电平基准一致。
TTL (Transistor-Transistor Logic)
电平标准与特点
TTL是一种数字逻辑电平标准，通常用于集成电路（IC）内部或设备间的短距离通信。TTL电平以5V电源电压为基准，其高低电平定义如下：
High (逻辑1): 通常为2.4V至5V之间，典型值为+5V。
Low (逻辑0): 通常为0V至0.8V之间，典型值为0V。
TTL电平信号直接驱动能力较强，抗干扰性好，且由于电压摆幅较大，对噪声的容忍度较高。在串行通信中，若两个设备间直接使用TTL电平连接，通常指它们共享相同的电源电压，并使用上述电平范围进行数据交换。
RS-232
电平标准与特性
RS-232（推荐标准第232号）是由EIA（电子工业协会，现为TIA）制定的一种串行通信接口标准，主要针对点对点的全双工通信。其关键特性在于其电气信号标准：
High (逻辑1): 负电平，通常为-3V至-15V。
Low (逻辑0): 正电平，通常为+3V至+15V。
RS-232电平与TTL电平显著不同，其逻辑电平与电源电压无关，且采用了负逻辑（即低电平代表逻辑1）。这种设计允许RS-232在长距离通信中抵抗干扰，但也意味着直接连接到微控制器或其他使用TTL电平的设备时需要电平转换器。
RS-485
多点通信标准
RS-485（推荐标准第485号）是EIA/TIA定义的另一种串行通信接口标准，专为构建多点、半双工通信网络而设计。与RS-232相比，RS-485的主要优势在于：
多节点支持：允许多达32个设备通过一对平衡差分线连接到同一总线上，每个设备通过驱动器使能（DE）信号控制数据发送。
更远传输距离：最大传输距离可达1200米（取决于具体条件），且抗干扰能力强于RS-232。
差分信号：使用两根线（A和B）传输一对互补的电压信号，提高了共模噪声抑制能力。
区别与联系
UART与TTL/RS-232/RS-485：
UART 是一种通信协议规范，规定了数据的格式化、打包、传输等过程，与具体的电平标准无关。
TTL 和 RS-232、RS-485 则是不同的电平标准，分别适用于不同的物理环境和通信要求。
UART接口的设备可以通过电平转换模块与符合TTL、RS-232或RS-485标准的设备互连，实现数据交换。
TTL与RS-232：
TTL 使用正逻辑（高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0），电压摆幅小，适合短距离、低噪声环境下的高速通信。
RS-232 采用负逻辑，电压摆幅大，适合长距离、可能存在较强电磁干扰的环境，但需要电平转换才能与TTL设备兼容。
RS-232与RS-485：
RS-232 适用于点对点通信，每个接口包含独立的发送和接收通道，不支持多设备共享总线。
RS-485 支持多点、半双工通信，多个设备通过一对差分线连接，适用于需要构建分布式网络的场合。
实际应用举例
UART + TTL：
应用场景：嵌入式开发板与计算机之间的调试通信，如通过USB转TTL模块将单片机的UART信号转换成USB信号，以便在PC端使用终端软件（如PuTTY、Termite等）查看设备输出或发送命令。
连接示例：
单片机的UART TX引脚连接到USB转TTL模块的RX输入。
单片机的UART RX引脚连接到USB转TTL模块的TX输出。
两者共用地线（GND）。
UART + RS-232：
应用场景：工业设备、仪器仪表间的通信，例如PLC（可编程逻辑控制器）与人机界面（HMI）之间的数据交换。
连接示例：
PLC的RS-232接口TXD连接到HMI的RXD。
PLC的RS-232接口RXD连接到HMI的TXD。
两者共用GND，并可能需要连接RTS/CTS等握手信号线。
由于两者电平标准不同，中间需使用RS-232转TTL电平转换器。
UART + RS-485：
应用场景：自动化控制系统中，多个传感器、执行器与主控设备构成的分布式网络，如楼宇自动化系统的温度、湿度、光照等数据采集。
连接示例：
主控设备的RS-485接口连接到总线A线和B线。
各传感器/执行器的RS-485接口也连接到同一对A线和B线上，通过地址或命令区分数据来源和目的地。
所有设备共用GND，并根据通信协议设定合适的驱动器使能（DE）和接收器使能（RE）信号，以实现半双工通信。
小结
总结来说，UART、TTL、RS-232、RS-485分别代表了串行通信中的协议规范、电平标准以及物理层特性，它们相互配合，在嵌入式开发、工业控制、自动化系统等领域有着广泛的应用。实际选用时，需根据通信距离、噪声环境、设备数量、数据速率等因素综合考虑，选择最适宜的组合方案。
