串口、UART、RS232、RS485、USB、COM 口全面解析
更新时间：2025-12-04 09:52:01
晨欣小编
在嵌入式系统、工业控制、计算机外设、通信设备等领域中，各类“串口”通信方式无处不在。无论是调试单片机、连接传感器模块，还是实现工控设备的长距离通讯，我们都会接触到 UART、RS232、RS485、USB、COM 口等名词。
这些术语之间既有紧密联系，又有本质区别。理解它们的关系，是任何电子工程师、硬件设计师与嵌入式开发者的必修课。
二、基本概念梳理
| 名称 | 类型 | 层级位置 | 主要功能 |
|---|---|---|---|
| 串口（Serial Port） | 泛称 | 物理接口或逻辑通信通道 | 串行方式传输数据 |
| UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter） | 芯片或模块 | 硬件通信单元 | 实现异步串行通信 |
| RS232 | 通信标准 | 物理层规范 | 点对点短距离通信 |
| RS485 | 通信标准 | 物理层规范 | 多点总线、长距离通信 |
| USB（Universal Serial Bus） | 通信协议 + 接口标准 | 硬件 + 协议层 | 通用高速串行总线 |
| COM 口 | 操作系统识别名 | 软件层逻辑端口 | Windows/Linux下的串口设备命名 |
三、串口（Serial Port）的本质
“串口”是一个广义概念，指的是设备间以“串行方式”传输数据的通信接口。
1. 串行与并行的区别
串行通信（Serial）：数据一位一位通过单条线路传输。
并行通信（Parallel）：多位数据同时传输。
在现代通信中，串行通信因其布线简单、抗干扰能力强、传输距离远，几乎取代了并行方式。
2. 串口的种类
常见的串口类型包括：
UART/USART 串口（异步/同步）
RS232 串口
RS485 串口
SPI/I2C 等串行总线接口
USB 接口
因此，“串口”更像是一个通信方式的总称。
四、UART：最底层的串行核心
1. UART 的定义
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是“通用异步收发器”，属于数字逻辑层硬件模块。
它负责将并行数据（来自 CPU）转换为串行数据（发送），或将串行数据（接收）还原为并行数据。
2. UART 的主要特性
异步通信：无独立时钟线，通过波特率同步。
典型帧格式：
起始位 (1) + 数据位 (5~8) + 校验位(可选) + 停止位(1或2)
常见波特率：9600、115200、921600 等。
全双工：独立的 TX（发送）和 RX（接收）线路。
3. UART 只是逻辑层
UART 自身不定义电平标准，例如：
单片机的 UART 输出一般是 TTL 电平（0V / 3.3V / 5V）。
要连接到 PC，就需要通过 电平转换芯片（如 MAX232、SP485） 变为 RS232 或 RS485 电平。
五、RS232：经典的点对点串口标准
1. 定义
RS232 是 EIA（美国电子工业协会）制定的一种串行物理层标准，用于定义信号电平、引脚分配、连接器形态。
2. 电平定义
| 信号 | 逻辑1 | 逻辑0 |
|---|---|---|
| RS232 | -3V ~ -15V | +3V ~ +15V |
| TTL UART | 0V | +3.3V / +5V |
电平方向完全相反，因此 RS232 设备与 MCU 不能直接相连，必须通过转换芯片（如 MAX232）。
3. 特点
点对点通信（1对1）。
最大通信距离约 15 米。
抗干扰能力较差，但简单可靠。
4. 典型接口
DB9 接头（常见于电脑 COM 口）
TXD、RXD、GND 三线制
六、RS485：工业通信主力标准
1. 定义
RS485 是 RS232 的改进版本，支持 差分信号传输 与 多节点通信。
2. 差分传输原理
通过 A/B 两根线传递差分电压信号，噪声对两线影响相同，从而大大提高抗干扰能力。
3. 特点
| 特性 | RS232 | RS485 |
|---|---|---|
| 通信方式 | 点对点 | 多点总线（最多32节点） |
| 信号线 | 单端 | 差分双线 |
| 通信距离 | ≤15m | ≤1200m |
| 抗干扰能力 | 较弱 | 很强 |
| 常用场景 | 电脑、调试口 | 工业现场、PLC、传感器网络 |
4. 实现方式
单片机 UART → RS485 转换芯片（如 MAX485） → RS485 总线。
七、USB：现代计算机的通用串行总线
1. 定义
USB（Universal Serial Bus）是通用串行总线标准，既是一种物理接口，也是完整的通信协议体系。
2. 特点
高速传输（USB 2.0：480 Mbps，USB 3.0 及以上更快）。
即插即用、支持热插拔。
支持多设备连接（通过集线器）。
兼容 HID、Mass Storage、CDC（虚拟串口）等多种设备类型。
3. USB 与串口的关系
虽然 USB 是数字化总线，但可通过 USB 转串口芯片（如 CH340、FT232、CP2102） 模拟出传统 UART/RS232 功能。
这种方式在 PC 调试单片机中极其常见。
八、COM 口：操作系统层的串口接口
1. 定义
COM 口是 Windows 系统中对串行设备的逻辑命名。
例如：
COM1、COM2—— 传统 RS232 物理串口COM3、COM4—— 虚拟 USB 转串口设备
2. 在 Linux 中的对应
/dev/ttyS0、/dev/ttyUSB0、/dev/ttyAMA0等。
3. 应用举例
在串口调试助手中选择“COM3”时，本质上就是操作系统通过驱动程序访问 UART 或虚拟串口设备。
九、它们之间的关系总结
关系层次图
[应用层] → COM 口 / /dev/tty* ↓[驱动层] → USB 转串口驱动、RS232 驱动 ↓[物理层] → RS232 / RS485 / TTL UART / USB ↓[硬件核心] → UART 模块（MCU、SoC 内部）
关系总结
| 名称 | 属于层级 | 是否硬件 | 是否标准 | 是否可见于系统 |
|---|---|---|---|---|
| 串口 | 通信方式 | 否 | 否 | 是 |
| UART | 硬件模块 | 是 | 否 | 否 |
| RS232 | 物理层标准 | 否 | 是 | 是 |
| RS485 | 物理层标准 | 否 | 是 | 是 |
| USB | 通用总线标准 | 是 | 是 | 是 |
| COM口 | 系统逻辑接口 | 否 | 否 | 是 |
十、典型应用场景
| 应用场景 | 通信接口 | 特点说明 |
|---|---|---|
| 单片机调试 | UART / USB 转 UART | 简单快速 |
| 工业设备通信 | RS485 | 长距离、多点通信 |
| 电脑外设（鼠标、键盘） | USB | 通用高速接口 |
| 老式工控设备 | RS232 | 点对点通信 |
| PLC 网络 | RS485 | 抗干扰强、组网方便 |
十一、接口连接与转换方案
| 转换需求 | 常用芯片 / 模块 |
|---|---|
| UART ↔ RS232 | MAX232 |
| UART ↔ RS485 | MAX485、SP3485 |
| USB ↔ UART | CH340、FT232、CP2102 |
| USB ↔ RS232 | PL2303、FT232RL |
| USB ↔ RS485 | CH340 + 收发模块 |
十二、总结
UART 是核心通信模块，是所有串行通信的基础。
RS232 与 RS485 是物理层标准，定义了信号电平和拓扑。
USB 是现代通用串行总线，可以模拟传统串口。
COM 口 是系统层逻辑接口，为用户提供统一访问入口。
串口（Serial Port）是总称，包括以上所有形式。
掌握它们的关系，有助于我们正确选择通信接口、设计电路、编写驱动程序，并实现稳定可靠的数据交互。
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