一種多協(xié)議串行通信接口的設計方法

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(zhù)通信網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，越來(lái)越多的互連網(wǎng)設備（如路由器、開(kāi)關(guān)、網(wǎng)關(guān)、存取裝置）中的串行接口在廣域網(wǎng)（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）中被設計成能夠支持多種物理接口協(xié)議或標準。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(jiǎn)單的串行通信接口示意圖。由圖可知，實(shí)現多協(xié)議串口通信的關(guān)鍵是將連接器送來(lái)的不同傳輸方式?平衡、非平衡?和不同電氣信號通過(guò)收發(fā)器轉換為終端能夠識別并處理的、具有ＴＴＬ電平的信號。

１ 傳統多協(xié)議通信的特點(diǎn)和問(wèn)題

１．１ “子板”方式

廣域網(wǎng)串口應用中的通用實(shí)現方法是為所需的每一種物理協(xié)議提供一個(gè)獨立的子板。一個(gè)支持ＥＩＡ－２３２，ＥＩＡ－４４９及Ｖ．３５協(xié)議的系統，通常需要三個(gè)獨立的子板以及三個(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，這樣既浪費資源，又會(huì )使管理工作復雜化。

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(mǎn)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。在配置中，應注意因連接器的管腳較少而帶來(lái)的問(wèn)題，較好的辦法是根據信號而不是根據協(xié)議來(lái)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(lái)說(shuō)，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(lái)描述所有協(xié)議的發(fā)送信號ＴｘＤ。

這種方法同樣也會(huì )帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，即所有收發(fā)器的Ｉ／Ｏ線(xiàn)至通用連接器的管腳必須彼此共用。例如，一個(gè)Ｖ．２８驅動(dòng)器芯片中的發(fā)送數據信號線(xiàn)的接連接器ＤＢ－２５的管腳２；同時(shí)，一個(gè)Ｖ．１１驅動(dòng)器芯片中的發(fā)送數據信號線(xiàn)要接至連接器的管腳２和１４；而Ｖ．３５驅動(dòng)器芯片中發(fā)送數據信號線(xiàn)也會(huì )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(xiàn)，管腳１４接有兩根信號線(xiàn)。這樣，在這一配置中，所有的驅動(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(méi)有三態(tài)特性，則需要使用一個(gè)多路復用器來(lái)選擇相應的輸出端。由此帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是收發(fā)器在禁止使用時(shí)會(huì )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)議的驅動(dòng)器會(huì )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(kāi)關(guān)，則開(kāi)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(guò)選擇不同的連接器轉換電纜來(lái)實(shí)現，這樣，在實(shí)現ＤＴＥ／ＤＣＥ轉換時(shí)可最大程度地減小收發(fā)器的復雜性，但缺點(diǎn)是需要更換電纜，尤其是設備放置位置不便或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)器的驅動(dòng)器輸出相連。為了控制ＤＴＥ或ＤＣＥ方式，驅動(dòng)器或接收器的輸出必須為三態(tài)。當選擇為ＤＴＥ方式時(shí)，ＤＣＥ芯片禁止，其驅動(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(wèn)題，但由于多用了一套收發(fā)器而使得設計成本大為提高，且串口板的體積也大了很多。

２　多協(xié)議串口通信的實(shí)現原理

傳統設計中，針對某種協(xié)議通常應選擇相應的收發(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(lái)支持不同的協(xié)議。

現在，一些收發(fā)器的生產(chǎn)廠(chǎng)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。其中ＳＰ５０Ｘ系列產(chǎn)品最多可支持８種協(xié)議標準。其它生產(chǎn)廠(chǎng)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(hù)可根據自己的需要選擇適當的芯片。

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)現多協(xié)議串口通信的通信卡。從圖可知，前者實(shí)現的復雜度要遠遠大于后者，具體的性能比較如表１所列。

表1 兩種方法實(shí)現串口通信的性能比較

除此之外，與分立收發(fā)器芯片相比，多協(xié)議收發(fā)器對驅動(dòng)器使能控制和對輸出漏電電流的處理要容易得多。當通過(guò)軟件或硬件方法選擇某一協(xié)議時(shí)，驅動(dòng)器和接收器的電氣參數將調整至適當的大小，電路內部將自動(dòng)控制驅動(dòng)器的輸出電平、接收器的輸入門(mén)限、驅動(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(jiǎn)單。當使用分立收發(fā)器芯片時(shí)，常常通過(guò)采用昂貴的繼電器開(kāi)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(kāi)，或者要求用戶(hù)每選擇一個(gè)新的接口標準就改變一次終端模塊，這樣既浪費資源又會(huì )使接口電路變得復雜，因而不是一種理想的實(shí)現方法。而多協(xié)議串口芯片則自動(dòng)提供適當的終端和片上開(kāi)關(guān)來(lái)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換問(wèn)題。

３ 基于ＬＴＣ１５４６／４４的多協(xié)議通信

為了說(shuō)明多協(xié)議串口芯片的工作原理，現以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(xiàn)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，以應用于數據網(wǎng)絡(luò )、信息業(yè)務(wù)單元?ＣＳＵ?和數據業(yè)務(wù)單元(ＤＳＵ)或數據路由器中，它支持多種協(xié)議，電纜終端可在片上提供，因此不再需要單獨的終端設計。其中，ＬＴＣ１５４６每個(gè)端口的一半用來(lái)產(chǎn)生和適當終止時(shí)鐘和數據信號。ＬＴＣ１５４４則用來(lái)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(guò)模式選擇引腳Ｍ０、Ｍ１和Ｍ２來(lái)決定，具體選擇方式見(jiàn)表２。

表2 通信協(xié)議的模式選擇

由表２可知，如果將端口設置為Ｖ．３５模式，模式選擇引腳應當為Ｍ２＝１，Ｍ１＝０，Ｍ０＝０。此時(shí)，對于控制信號，驅動(dòng)器和接收器將工作在Ｖ．２８(ＲＳ２３２)模式；而對于時(shí)鐘和數據信號，驅動(dòng)器和接收器將工作在Ｖ．３５模式。

模式選擇可通過(guò)控制電路?或利用跳線(xiàn)將模式引腳接至地或Ｖｃｃ?來(lái)實(shí)現對引腳Ｍ０、Ｍ１和Ｍ２的控制，也可通過(guò)適當的接口電纜插入到連接器上實(shí)現外部選擇控制。若選用后者，則當移開(kāi)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(wú)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驅動(dòng)器輸出將被強制進(jìn)入高阻狀態(tài)。同時(shí)，ＬＴＣ１５４６的Ｒ２和Ｒ３接收器應當分別用１０３Ω端接，而ＬＴＣ１５４６和ＬＴＣ１５４４上的其它接收器則應通過(guò)３０ｋΩ電阻接到地。

通過(guò)ＤＣＥ／ＤＴＥ引腳可使能ＬＴＣ１５４６中的驅動(dòng)器３／接收器１、ＬＴＣ１５４４中的驅動(dòng)器３／接收器１和驅動(dòng)器４／接收器４；ＬＴＣ１５４４中的ＩＮＶＥＲＴ信號對驅動(dòng)器４／接收器４起使能作用?？梢酝ㄟ^(guò)下面兩種方法中的一種將ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４設置為ＤＴＥ或ＤＣＥ工作模式：一種是將專(zhuān)門(mén)配有適當極性的連接器接至ＤＴＥ或ＤＣＥ端；另一種是通過(guò)專(zhuān)用ＤＴＥ電纜或專(zhuān)用ＤＣＥ電纜發(fā)送信號給ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４，同時(shí)使用一個(gè)連接器構成一種既適合ＤＴＥ又適合ＤＣＥ的工作模式。

３．２ 典型應用

圖４為一個(gè)帶有ＤＢ－２５連接器端口并可被設置為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(guò)ＬＴＣ１５４６的驅動(dòng)器１發(fā)送到引腳２和１４。在ＤＣＥ模式中，驅動(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)內部容性充電泵來(lái)滿(mǎn)足ＶＤＤ和ＶＥＥ。其中，ＶＤＤ為符合Ｖ．２８的正電源電壓端，該端應連接一只１Ｆ的電容到地；ＶＥＥ為負電源電壓端。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端的電容最小應為３．３μＦ。所有電容耐壓均應為１６Ｖ，同時(shí)應盡可能放置在ＬＴＣ１５４６的附近以減少ＥＭＩ干擾。

圖4 用LTC1546/LTC1544芯片實(shí)現多協(xié)議串口通信（DTE/DCE可選）

在Ｖ．３５模式中，ＬＴＣ１５４６中的開(kāi)關(guān)Ｓ１和Ｓ２將導通，同時(shí)應連接一個(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(lái)，但不會(huì )顯著(zhù)影響總輸入阻抗，因此對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這種模式下的電路設計與其它模式下完全相同。

由于ＬＴＣ１５４６是３驅動(dòng)器／３接收器的收發(fā)器，ＬＴＣ１５４６是４驅動(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(méi)有足夠的驅動(dòng)器和接收器。因此，可用ＬＴＣ１５４５來(lái)替換ＬＴＣ１５４４。ＬＴＣ１５４５為５驅動(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功能。如果接收器輸入浮置或通過(guò)一個(gè)終端電阻短接在一起，那么，接收器的輸出將永遠被強制為一個(gè)邏輯高電平。

４　結束語(yǔ)

實(shí)現多協(xié)議串口通信的方法很多，不同廠(chǎng)家提供有功能各不相同的串口芯片。設計者可根據自己的需求來(lái)選擇。當設計一個(gè)支持各種物理層協(xié)議的復雜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(huì )簡(jiǎn)化配置，同時(shí)所設計的電路也會(huì )更靈活、方便和簡(jiǎn)單。