一種多協(xié)議串行通信接口的設(shè)計(jì)方法

摘要：文章對多種協(xié)議串行通信進(jìn)行了分析與討論，給合Linear公司生產(chǎn)的多協(xié)議串口芯片，針對傳統(tǒng)串口通信實(shí)現(xiàn)中的問題以及實(shí)際的廣域網(wǎng)串行通信的需求，提出了一種多協(xié)議串行接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：多協(xié)議串口通信;通信協(xié)議; 收發(fā)器;連接器; 多協(xié)議串口芯片 LTC1546/LTC1544 隨著通信網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，越來越多的互連網(wǎng)設(shè)備(如路由器、開關(guān)、網(wǎng)關(guān)、存取裝置)中的串行接口在廣域網(wǎng)(Wide Area Network)中被設(shè)計(jì)成能夠支持多種物理接口協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)。廣域網(wǎng)串行口協(xié)議包括RS-232，RS-449，EIA-530，V.35 ，V.36以及X.21等。圖1所示是一個(gè)簡單的串行通信接口示意圖。由圖可知，實(shí)現(xiàn)多協(xié)議串口通信的關(guān)鍵是將連接器送來的不同傳輸方式?平衡、非平衡和不同電氣信號通過收發(fā)器轉(zhuǎn)換為終端能夠識別并處理的、具有TTL電平的信號。 1 傳統(tǒng)多協(xié)議通信的特點(diǎn)和問題 1.1 “子板”方式 廣域網(wǎng)串口應(yīng)用中的通用實(shí)現(xiàn)方法是為所需的每一種物理協(xié)議提供一個(gè)獨(dú)立的子板。一個(gè)支持EIA-232，EIA-449及V.35協(xié)議的系統(tǒng)，通常需要三個(gè)獨(dú)立的子板以及三個(gè)不同的連接器。這種方法由于每種協(xié)議要求配置一塊子板，因此系統(tǒng)需要對PCB子板、收發(fā)器芯片、連接器等進(jìn)行管理，這樣既浪費(fèi)資源，又會使管理工作復(fù)雜化。

1.2 通用連接器方式 為解決“子板”方式的缺點(diǎn)，可使用一塊母板及通用連接器。一個(gè)母板上有多種收發(fā)器芯片，可以滿足多串口協(xié)議的要求，并可共用一些通用器件，同時(shí)可減少資源的浪費(fèi)。在配置中，應(yīng)注意因連接器的管腳較少而帶來的問題，較好的辦法是根據(jù)信號而不是根據(jù)協(xié)議來分配管腳，即給每一個(gè)信號分配一個(gè)通用管腳，而不管其物理協(xié)議如何定義。如對EIA-232，EIA-449，EIA-530，V.35和V.36來說，其TxD信號可連至連接器相同的管腳。即SD?a信號連接到管腳2，SD?b信號連接到管腳14。然后利用這對管腳來描述所有協(xié)議的發(fā)送信號TxD。 這種方法同樣也會帶來一個(gè)問題，即所有收發(fā)器的I/O線至通用連接器的管腳必須彼此共用。例如，一個(gè)V.28驅(qū)動(dòng)器芯片中的發(fā)送數(shù)據(jù)信號線的接連接器DB-25的管腳2;同時(shí)，一個(gè)V.11驅(qū)動(dòng)器芯片中的發(fā)送數(shù)據(jù)信號線要接至連接器的管腳2和14;而V.35驅(qū)動(dòng)器芯片中發(fā)送數(shù)據(jù)信號線也會接至連接器的管腳2和14。這樣，通用連接器的管腳2將同時(shí)接有三根信號線，管腳14接有兩根信號線。這樣，在這一配置中，所有的驅(qū)動(dòng)器都必須具有三態(tài)特性，以禁止不必要的輸出。若收發(fā)器沒有三態(tài)特性，則需要使用一個(gè)多路復(fù)用器來選擇相應(yīng)的輸出端。由此帶來的另一個(gè)問題是收發(fā)器在禁止使用時(shí)會產(chǎn)生漏電電流。如果選擇了V.28協(xié)議，其輸出電壓理論值為15V。此時(shí)對于V.11協(xié)議的驅(qū)動(dòng)器會被禁用，而處于三態(tài)時(shí)，其輸出漏電電壓就必須足夠低，才能使得連在同一連接器管腳的V.28協(xié)議的驅(qū)動(dòng)器信號不受影響。如果在發(fā)送器與接收器之間有隔斷開關(guān)，則開關(guān)也要考慮漏電情況。 1.3 串口的DTE/DCE模式切換 DTE/DCE的切換可通過選擇不同的連接器轉(zhuǎn)換電纜來實(shí)現(xiàn)，這樣，在實(shí)現(xiàn)DTE/DCE轉(zhuǎn)換時(shí)可最大程度地減小收發(fā)器的復(fù)雜性，但缺點(diǎn)是需要更換電纜，尤其是設(shè)備放置位置不便或DTE/DCE需要頻繁切換時(shí)這一點(diǎn)尤為突出。 如果保持傳輸電纜不變，則可將收發(fā)器配置為兩套以分別支持DTE、DCE方式。而將DTE收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)器輸出與DCE收發(fā)器的接收器輸入相連，而將接收器輸入端與DCE收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)器輸出相連。為了控制DTE或DCE方式，驅(qū)動(dòng)器或接收器的輸出必須為三態(tài)。當(dāng)選擇為DTE方式時(shí)，DCE芯片禁止，其驅(qū)動(dòng)器和接收器處于三態(tài)，反之亦然。 該方法雖然解決了對電纜的頻繁更換問題，但由于多用了一套收發(fā)器而使得設(shè)計(jì)成本大為提高，且串口板的體積也大了很多。

2　多協(xié)議串口通信的實(shí)現(xiàn)原理 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對某種協(xié)議通常應(yīng)選擇相應(yīng)的收發(fā)芯片，如對于RS-232協(xié)議，常用DS-1488/DS-1489、MAX232或SP208等收發(fā)器芯片;而對于RS-449協(xié)議，則常使用SN75179B、MAX488、MAX490等收發(fā)器芯片。當(dāng)同時(shí)使用RS-232、RS-422和V.35協(xié)議時(shí)，就需要多個(gè)收發(fā)器芯片來支持不同的協(xié)議。 現(xiàn)在，一些收發(fā)器的生產(chǎn)廠商研制出了多協(xié)議收發(fā)器芯片。Sipex是第一家生產(chǎn)出RS-232/ RS-422軟件可選擇協(xié)議芯片SP301的公司。這種芯片可將RS-232和RS-422收發(fā)器的電氣特性綜合到一個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)。其中SP50X系列產(chǎn)品最多可支持8種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其它生產(chǎn)廠家如Linear公司生產(chǎn)的LTC154x系列、LTC284x系列芯片也具有以上功能。用戶可根據(jù)自己的需要選擇適當(dāng)?shù)男酒? 圖2為采用分立的收發(fā)器芯片與采用一片多協(xié)議收發(fā)器芯片實(shí)現(xiàn)多協(xié)議串口通信的通信卡。從圖可知，前者實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，具體的性能比較如表1所列。 表1 兩種方法實(shí)現(xiàn)串口通信的性能比較 　分立器件板綜合器件板 供電電壓 +5V，-5V，+12V，-12V +5V 所需收發(fā)器芯片數(shù) 12 1 支持的物理層協(xié)議 RS-232，RS-422，RS-449，EIA-530，V.35，V.36 RS-232，RS-422，RS-449，RS-485，EIA-530，EIA-530A，V.35,V.36 協(xié)議選擇方式跳線或開關(guān)軟件或硬件(通過內(nèi)部譯碼) 串口板大小除了15個(gè)收發(fā)器芯片外還需其它硬件支持非常小 功耗大約1W 大約100mW～250mW 除此之外，與分立收發(fā)器芯片相比，多協(xié)議收發(fā)器對驅(qū)動(dòng)器使能控制和對輸出漏電電流的處理要容易得多。當(dāng)通過軟件或硬件方法選擇某一協(xié)議時(shí)，驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣參數(shù)將調(diào)整至適當(dāng)?shù)拇笮?，電路?nèi)部將自動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器的輸出電平、接收器的輸入門限、驅(qū)動(dòng)器和接收器的阻抗值以及每一物理層協(xié)議的常用模式范圍。 另外，由于外部網(wǎng)絡(luò)終端對V.35的需求，使得與V.35收發(fā)器的連接不能象其它協(xié)議那么簡單。當(dāng)使用分立收發(fā)器芯片時(shí)，常常通過采用昂貴的繼電器開關(guān)電阻在選擇其它協(xié)議接口時(shí)將V.35網(wǎng)絡(luò)終端斷開，或者要求用戶每選擇一個(gè)新的接口標(biāo)準(zhǔn)就改變一次終端模塊，這樣既浪費(fèi)資源又會使接口電路變得復(fù)雜，因而不是一種理想的實(shí)現(xiàn)方法。而多協(xié)議串口芯片則自動(dòng)提供適當(dāng)?shù)慕K端和片上開關(guān)來符合V.10、V.11、V.28和V.35電氣協(xié)議，從而解決了電纜終端轉(zhuǎn)換問題。

3 基于LTC1546/44的多協(xié)議通信 為了說明多協(xié)議串口芯片的工作原理，現(xiàn)以Linear公司的LTC1546/1544芯片為例進(jìn)行分析。 3.1 LTC1546/LTC1544的性能 LTC1546芯片是一個(gè)3驅(qū)動(dòng)器/3接收器的收發(fā)器，其主要特點(diǎn)如下： ● 帶有軟件可選的收發(fā)器可支持RS232、RS449、EIA530、EIA530A、V.35、V.36和X.21協(xié)議? ● 可提供片上電纜終端? ● 與LTC1543引腳兼容? ● 與LTC1544配合可完成完整的DTE或DCE? ● 工作在5V單電源? ● 占位面積小。 LTC1544芯片是一個(gè)4驅(qū)動(dòng)器/4接收器的收發(fā)器，其主要特點(diǎn)有： ● 軟件可選的收發(fā)器支持RS232、RS449、EIA530、EIA530A、V.35、V.36和X.21協(xié)議? ● 采用LTC1344A作為軟件可選的電纜終端? ● 采用LTC1543、LTC1544A或LTC1546可實(shí)現(xiàn)完整的DTE或DCE端口? ● 與LTC1543同樣工作于5V單電源。 這兩種芯片均采用28引線SSOP表面貼封裝，圖3所示為其引腳排列。 由LTC1546/ LTC1544可組成一套完整的軟件可選擇DTE或DCE接口，以應(yīng)用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、信息業(yè)務(wù)單元?CSU和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)單元(DSU)或數(shù)據(jù)路由器中，它支持多種協(xié)議，電纜終端可在片上提供，因此不再需要單獨(dú)的終端設(shè)計(jì)。其中，LTC1546每個(gè)端口的一半用來產(chǎn)生和適當(dāng)終止時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號。LTC1544則用來產(chǎn)生控制信號及本地環(huán)路返回信號(Local Loop-back，LL)。接口協(xié)議通過模式選擇引腳M0、M1和M2來決定，具體選擇方式見表2。 表2 通信協(xié)議的模式選擇 LTC1546模式名稱 M2 M1 M0 DCE/DTE D1 D2 D3 R1 R2 R3 未用(缺省V.11) 0 0 0 0 V.11 V.11 V.11 V.11 V.11 　 RS530A 0 0 1 0 V.11 V.11 Z V.11 V.11 V.11 RS530 0 1 0 0 V.11 V.11 Z V.11 V.11 V.11 X.21 0 1 1 0 V.11 V.11 Z V.11 V.11 V.11 V.35 1 0 0 0 V.35 V.35 Z V.35 V.35 V.35 RS449/V.36 1 0 1 0 V.11 V.11 Z V.11 V.11 V.11 V.28/RS232 1 1 0 0 V.28 V.28 Z V.28 V.28 V.28 無電纜 1 1 1 0 Z Z Z Z Z Z 未用(缺省V.11) 0 0 0 1 V.11 V.11 V.11 Z V.11 V.11 RS530A 0 0 1 1 V.11 V.11 V.11 Z V.11 V.11 RS530 0 1 0 1 V.11 V.11 V.11 Z V.11 V.11 X.21 0 1 1 1 V.11 V.11 V.11 Z V.11 V.11 B.35 1 0 0 1 V.35 V.35 V.35 Z V.35 V.35 RS449/V.36 1 0 1 1 V.11 V.11 V.11 Z V.11 V.11 V.28/RS232 1 1 0 1 V.28 V.28 V.28 Z V.28 V.28 無電纜 1 1 1 1 Z Z Z Z Z Z 由表2可知，如果將端口設(shè)置為V.35模式，模式選擇引腳應(yīng)當(dāng)為M2=1，M1=0，M0=0。此時(shí)，對于控制信號，驅(qū)動(dòng)器和接收器將工作在V.28(RS232)模式;而對于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號，驅(qū)動(dòng)器和接收器將工作在V.35模式。 模式選擇可通過控制電路?或利用跳線將模式引腳接至地或Vcc來實(shí)現(xiàn)對引腳M0、M1和M2的控制，也可通過適當(dāng)?shù)慕涌陔娎|插入到連接器上實(shí)現(xiàn)外部選擇控制。若選用后者，則當(dāng)移開電纜時(shí)，全部模式引腳均不連接，即M0=M1=M2=1，此時(shí)LTC1546/ LTC1544進(jìn)入無電纜模式。在這種模式中，LTC1546/1544的供電電流將下降到500μA以下，并且LTC1546/ LTC1544驅(qū)動(dòng)器輸出將被強(qiáng)制進(jìn)入高阻狀態(tài)。同時(shí)，LTC1546的R2和R3接收器應(yīng)當(dāng)分別用103Ω端接，而LTC1546和LTC1544上的其它接收器則應(yīng)通過30kΩ電阻接到地。 通過DCE/DTE引腳可使能LTC1546中的驅(qū)動(dòng)器3/接收器1、LTC1544中的驅(qū)動(dòng)器3/接收器1和驅(qū)動(dòng)器4/接收器4;LTC1544中的INVERT信號對驅(qū)動(dòng)器4/接收器4起使能作用?？梢酝ㄟ^下面兩種方法中的一種將LTC1546/LTC1544設(shè)置為DTE或DCE工作模式：一種是將專門配有適當(dāng)極性的連接器接至DTE或DCE端;另一種是通過專用DTE電纜或?qū)Ｓ肈CE電纜發(fā)送信號給LTC1546/LTC1544，同時(shí)使用一個(gè)連接器構(gòu)成一種既適合DTE又適合DCE的工作模式。 3.2 典型應(yīng)用 圖4為一個(gè)帶有DB-25連接器端口并可被設(shè)置為DTE或DCE工作模式的多協(xié)議串口通信電路，圖中LTC1546/LTC1544芯片一邊與連接器相連，另一邊接至HDLC芯片，M0、M1、M2及DCE/DTE引腳接至EPLD硬件控制電路以實(shí)現(xiàn)對通信協(xié)議和工作模式的選擇。其中DTE或DCE工作模式需要連接對應(yīng)的電纜以保證正確的信號發(fā)送。例如，在DTE模式中，TxD信號通過LTC1546的驅(qū)動(dòng)器1發(fā)送到引腳2和14。在DCE模式中，驅(qū)動(dòng)器則將RxD信號發(fā)送到引腳2和14。 圖4中，LTC1546采用一個(gè)內(nèi)部容性充電泵來滿足VDD和VEE。其中，VDD為符合V.28的正電源電壓端，該端應(yīng)連接一只1F的電容到地;VEE為負(fù)電源電壓端。一個(gè)電壓倍增器在VDD上將產(chǎn)生大約8V電壓，而電壓反相器則將在VEE上產(chǎn)生大約-7.5V的電壓。四只1μF電容均為表面貼裝的鉭或陶瓷電容，VEE端的電容最小應(yīng)為3.3μF。所有電容耐壓均應(yīng)為16V，同時(shí)應(yīng)盡可能放置在LTC1546的附近以減少EMI干擾。 圖4 用LTC1546/LTC1544芯片實(shí)現(xiàn)多協(xié)議串口通信(DTE/DCE可選) 在V.35模式中，LTC1546中的開關(guān)S1和S2將導(dǎo)通，同時(shí)應(yīng)連接一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)阻抗，以將接收器的30kΩ輸入阻抗與T網(wǎng)絡(luò)終端并聯(lián)起來，但不會顯著影響總輸入阻抗，因此對于用戶來說，這種模式下的電路設(shè)計(jì)與其它模式下完全相同。 由于LTC1546是3驅(qū)動(dòng)器/3接收器的收發(fā)器，LTC1546是4驅(qū)動(dòng)器/4接收器的收發(fā)器，所以如果同時(shí)采用RL、LL和TM信號，則LTC1546/LTC1544就沒有足夠的驅(qū)動(dòng)器和接收器。因此，可用LTC1545來替換LTC1544。LTC1545為5驅(qū)動(dòng)器/5接收器的收發(fā)器，它能夠處理多個(gè)可選的控制信號，如TM和RL。 所有LTC1546/LTC1544接收器在全部模式下都具有失效保護(hù)功能。如果接收器輸入浮置或通過一個(gè)終端電阻短接在一起，那么，接收器的輸出將永遠(yuǎn)被強(qiáng)制為一個(gè)邏輯高電平。 4　結(jié)束語 實(shí)現(xiàn)多協(xié)議串口通信的方法很多，不同廠家提供有功能各不相同的串口芯片。設(shè)計(jì)者可根據(jù)自己的需求來選擇。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)支持各種物理層協(xié)議的復(fù)雜DTE/DCE模式時(shí)，和使用許多分立的元器件相比，選擇一個(gè)單片多協(xié)議串行收發(fā)器將會簡化配置，同時(shí)所設(shè)計(jì)的電路也會更靈活、方便和簡單。