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一種多協(xié)議串行通信接口的設(shè)計方法
摘要：文章對多種協(xié)議串行通信進行了分析與討論，給合Linear公司生產(chǎn)的多協(xié)議串口芯片，針對傳統(tǒng)串口通信實現(xiàn)中的問題以及實際的廣域網(wǎng)串行通信的需求，提出了一種多協(xié)議串行接口的設(shè)計實現(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所示是一個簡單的串行通信接口示意圖。由圖可知，實現(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)議通信的特點和問題
１．１ “子板”方式
廣域網(wǎng)串口應用中的通用實現(xiàn)方法是為所需的每一種物理協(xié)議提供一個獨立的子板。一個支持ＥＩＡ－２３２，ＥＩＡ－４４９及Ｖ．３５協(xié)議的系統(tǒng)，通常需要三個獨立的子板以及三個不同的連接器。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、連接器等進行管理，這樣既浪費資源，又會使管理工作復雜化。
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１．２ 通用連接器方式
為解決“子板”方式的缺點，可使用一塊母板及通用連接器。一個母板上有多種收發(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，即給每一個信號分配一個通用管腳，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Ｖ．２８驅(qū)動器芯片中的發(fā)送數(shù)據(jù)信號線的接連接器ＤＢ－２５的管腳２；同時，一個Ｖ．１１驅(qū)動器芯片中的發(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，則需要使用一個多路復用器來選擇相應的輸出端。由此帶來的另一個問題是收發(fā)器在禁止使用時會產(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。此時對于Ｖ．１１協(xié)議的驅(qū)動器會被禁用，而處于三態(tài)時，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)換電纜來實現(xiàn)，這樣，在實現(xiàn)ＤＴＥ／ＤＣＥ轉(zhuǎn)換時可最大程度地減小收發(fā)器的復雜性，但缺點是需要更換電纜，尤其是設(shè)備放置位置不便或ＤＴＥ／ＤＣＥ需要頻繁切換時這一點尤為突出。
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)動器輸出相連。為了控制ＤＴＥ或ＤＣＥ方式，驅(qū)動器或接收器的輸出必須為三態(tài)。當選擇為ＤＴＥ方式時，ＤＣＥ芯片禁止，其驅(qū)動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)議串口通信的實現(xiàn)原理
傳統(tǒng)設(shè)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。當同時使用ＲＳ－２３２、ＲＳ－４２２和Ｖ．３５協(xié)議時，就需要多個收發(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芯片中實現(xiàn)。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?shù)男酒?/p>
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)器芯片實現(xiàn)多協(xié)議串口通信的通信卡。從圖可知，前者實現(xiàn)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 兩種方法實現(xiàn)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(qū)動器使能控制和對輸出漏電電流的處理要容易得多。當通過軟件或硬件方法選擇某一協(xié)議時，驅(qū)動器和接收器的電氣參數(shù)將調(diào)整至適當?shù)拇笮�，電路�?nèi)部將自動控制驅(qū)動器的輸出電平、接收器的輸入門限、驅(qū)動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。當使用分立收發(fā)器芯片時，常常通過采用昂貴的繼電器開關(guān)電阻在選擇其它協(xié)議接口時將Ｖ．３５網(wǎng)絡終端斷開，或者要求用戶每選擇一個新的接口標準就改變一次終端模塊，這樣既浪費資源又會使接口電路變得復雜，因而不是一種理想的實現(xiàn)方法。而多協(xié)議串口芯片則自動提供適當?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芯片為例進行分析。
３．１ ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４的性能
ＬＴＣ１５４６芯片是一個３驅(qū)動器／３接收器的收發(fā)器，其主要特點如下：
● 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４驅(qū)動器／４接收器的收發(fā)器，其主要特點有：
● 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，以應用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、信息業(yè)務單元?ＣＳＵ?和數(shù)據(jù)業(yè)務單元(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，因此不再需要單獨的終端設(shè)計。其中，ＬＴＣ１５４６每個端口的一半用來產(chǎn)生和適當終止時鐘和數(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
由表２可知，如果將端口設(shè)置為Ｖ．３５模式，模式選擇引腳應當為Ｍ２＝１，Ｍ１＝０，Ｍ０＝０。此時，對于控制信號，驅(qū)動器和接收器將工作在Ｖ．２８(ＲＳ２３２)模式；而對于時鐘和數(shù)據(jù)信號，驅(qū)動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?來實現(xiàn)對引腳Ｍ０、Ｍ１和Ｍ２的控制，也可通過適當?shù)慕涌陔娎|插入到連接器上實現(xiàn)外部選擇控制。若選用后者，則當移開電纜時，全部模式引腳均不連接，即Ｍ０＝Ｍ１＝Ｍ２＝１，此時ＬＴＣ１５４６／ ＬＴＣ１５４４進入無電纜模式。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)動器輸出將被強制進入高阻狀態(tài)。同時，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３０ｋΩ電阻接到地。
通過ＤＣＥ／ＤＴＥ引腳可使能ＬＴＣ１５４６中的驅(qū)動器３／接收器１、ＬＴＣ１５４４中的驅(qū)動器３／接收器１和驅(qū)動器４／接收器４；ＬＴＣ１５４４中的ＩＮＶＥＲＴ信號對驅(qū)動器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茫模茫烹娎|發(fā)送信號給ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４，同時使用一個連接器構(gòu)成一種既適合ＤＴＥ又適合ＤＣＥ的工作模式。
３．２ 典型應用
圖４為一個帶有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)動器１發(fā)送到引腳２和１４。在ＤＣＥ模式中，驅(qū)動器則將ＲｘＤ信號發(fā)送到引腳２和１４。
圖４中，ＬＴＣ１５４６采用一個內(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，該端應連接一只１Ｆ的電容到地；ＶＥＥ為負電源電壓端。一個電壓倍增器在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將導通，同時應連接一個Ｔ型網(wǎng)絡阻抗，以將接收器的３０ｋΩ輸入阻抗與Ｔ網(wǎng)絡終端并聯(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)計與其它模式下完全相同。
由于ＬＴＣ１５４６是３驅(qū)動器／３接收器的收發(fā)器，ＬＴＣ１５４６是４驅(qū)動器／４接收器的收發(fā)器，所以如果同時采用ＲＬ、ＬＬ和ＴＭ信號，則ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４就沒有足夠的驅(qū)動器和接收器。因此，可用ＬＴＣ１５４５來替換ＬＴＣ１５４４。ＬＴＣ１５４５為５驅(qū)動器／５接收器的收發(fā)器，它能夠處理多個可選的控制信號，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一個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邏輯高電平。
４ 結(jié)束語
實現(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)計者可根據(jù)自己的需求來選擇。當設(shè)計一個支持各種物理層協(xié)議的復雜ＤＴＥ／ＤＣＥ模式時，和使用許多分立的元器件相比，選擇一個單片多協(xié)議串行收發(fā)器將會簡化配置，同時所設(shè)計的電路也會更靈活、方便和簡單。
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