单片机的串口通信是一种在微控制器（单片机）和外部设备之间传输数据的常用、简单且成本低廉的方法。它使用串行传输的方式，即数据位一位接一位地在单根线或一对线上传输（对比并行通信需要多根数据线）。

核心概念

1. 异步通信： 通信双方没有共享的时钟信号。它们依靠约定好的波特率来同步时序。发送端在数据前添加起始位(通常是低电平)，在数据后添加停止位(通常是高电平)，接收端根据起始位判断数据位的开始，并在约定的时间点采样。
2. 全双工/半双工：
   • 全双工： 最常见的配置。需要两根数据线：TXD（Transmit Data - 发送数据） 和 RXD（Receive Data - 接收数据）。可以同时发送和接收数据。
   • 半双工： 通常只使用一根数据线（TX/RX）。在同一时刻只能发送或接收数据，不能同时进行（需要收发控制信号配合切换方向）。
3. 关键参数： 通信双方必须设置一致，否则无法正确通信。
   • 波特率： 传输速率，表示每秒传输的符号数（1 Symbol = 1 位）。常见波特率如 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 bps。波特率越高，传输越快，但对时序误差容忍度越低。
   • 数据位长度： 实际数据的位数。通常是8位（1个字节），也可以是5、6、7、9位。
   • 停止位： 表示一个字节结束的标志。通常是1位，也可能是1.5或2位（用于早期低速设备或弥补波特率误差）。
   • 奇偶校验位： 一个可选的位，用于简单的错误检测（检错能力有限，不能纠错）。
     • None/No Parity： 无校验。
     • Odd Parity： 奇校验。数据位 + 校验位中，“1”的数量为奇数。
     • Even Parity： 偶校验。数据位 + 校验位中，“1”的数量为偶数。
   • 流控：
     • 无流控： 不控制数据流。如果接收方来不及处理，数据会丢失。仅适合低速或简单通信。
     • 硬件流控： 使用额外的信号线（RTS (Request To Send - 请求发送) 和 CTS (Clear To Send - 清除发送)）控制数据流的暂停与继续。有效防止数据丢失。
     • 软件流控： 使用特殊的控制字符（XON/XOFF）嵌入数据流中来通知对方暂停或继续发送。开销大，效率较低，现代较少使用。

常用设计方案

实现单片机串口通信的方案有多种，主要区别在于硬件接口、通信距离、抗干扰能力和协议复杂度上：

1. TTL/CMOS 电平直连：

   • 原理： 直接使用单片机UART模块的原始TTL/CMOS电平（通常是0V表示逻辑0，3.3V或5V表示逻辑1）。
   • 特点：
     • 距离： 非常短（通常几厘米到1米以内）。
     • 抗干扰： 极差，极易受噪声影响。
     • 应用：
       • 同一块PCB上两个单片机之间的通信。
       • 单片机与板上串口外设（如ESP8266/32 WiFi模组、蓝牙模组、某些GPS模组）的通信。
       • 通过USB转TTL串口模块连接到电脑进行调试（电脑USB接口模拟出一个TTL串口）。
   • 硬件： TXD、RXD（、GND）三根线直接连接即可。可选是否接GND。

2. RS-232：

   • 原理： 使用RS-232电平标准（通常负电压 -3V ~ -15V 表示逻辑1，正电压 +3V ~ +15V 表示逻辑0）。
   • 特点：
     • 距离： 相对较长（理论几十米，实际15米左右较为可靠）。
     • 抗干扰： 好于TTL直连（利用较高电压和正负电压差）。
     • 应用： 连接老式设备（如工控设备、旧式调制解调器）、部分仪表设备。曾是PC的标准配置（9针D型串口）。
   • 硬件：
     • 单片机端需要集成RS-232收发器芯片（如MAX232, SP3232）进行电平转换（TTL ↔ RS-232）。
     • 连接到RS-232设备（如PC的COM口）需要DB9接头和电缆（通常是交叉线：单片机的TXD连接对方的RXD）。

3. RS-485：

   • 原理： 使用差分信号传输。两根线A+和B-。当A+的电压比B-的电压高时表示逻辑1，反之表示逻辑0。
   • 特点：
     • 距离： 长（理论1200米以上，实际可达数百米至千米）。
     • 抗干扰： 极强（差分信号能有效抑制共模噪声）。
     • 拓扑： 多节点总线结构（最多可连接32个节点）。
     • 方向： 半双工（同一时刻只有一台设备在发送，由主机控制切换方向）。
   • 应用： 工业自动化、楼宇控制、仪器仪表网络。需要长距离、多设备联网、抗强干扰的场合。常用协议如Modbus-RTU基于RS-485实现。
   • 硬件：
     • 单片机端需要集成RS-485收发器芯片（如MAX485, SN75176）进行电平转换和方向控制（TTL ↔ RS-485 差分信号）。
     • 需要额外的一个GPIO引脚控制收发方向（RE/DE引脚）。
     • 所有设备连接在两根双绞线上（A+和B-），并在总线两端接终端电阻（120Ω）。

4. USB模拟串口：

   • 原理： 利用单片机的USB外设接口（OTG或Device），通过特定的USB类协议（CDC - Communication Device Class）在电脑端模拟出一个虚拟COM口。
   • 特点：
     • 距离： 由USB标准限制（USB2.0为5米，使用Hub可延长）。
     • 便利性： 现代主流方式，无需额外转换器，直接使用标准USB线。
     • 速度： 可以达到USB总线允许的高速（远超传统串口）。
     • 应用： 现代单片机连接PC调试、更新固件的首选方式。
   • 硬件： 单片机必须集成USB外设控制器。软件上需要实现USB CDC协议栈。

5. 无线传输扩展：

   • 原理： 将上述有线串口（通常是TTL电平）连接到无线传输模块（如基于Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、LoRa、GPRS/4G/5G等的模块）。
   • 特点： 串口通信本身不受影响（仍然是异步串行），只是物理传输介质变成了无线。
   • 应用： 物联网设备、无线传感器网络、遥控设备等。
   • 硬件： 单片机TTL串口引脚连接到无线模块的相应串口引脚（需要查阅模块手册）。

总结

单片机串口通信的核心在于通过UART实现的异步串行数据传输。选择哪种设计方案取决于具体应用的需求：

• 极短距离、简单调试： TTL直连（配合USB转TTL模块连PC）。
• 中等距离、普通抗扰（老旧设备）： RS-232（需电平转换）。
• 长距离、多节点、强抗扰（工业）： RS-485（需转换和收发控制）。
• 现代设备连接PC： USB CDC（首选）。
• 无线应用： TTL串口 + 无线模块。

理解波特率、数据格式和流控等基本概念，并合理选择硬件转换方案，是成功实现单片机串口通信的关键。在软件编程上，通常需要配置UART寄存器、编写数据发送和接收函数（使用轮询或中断方式）。