串口通信的穩(wěn)定性直接影響工業(yè)系統(tǒng)效率。Air8000多串口模塊為連接難題提供答案，但其效能發(fā)揮離不開精妙的硬件設(shè)計(jì)。從接口選型、信號隔離到電源管理，梳理核心設(shè)計(jì)要點(diǎn)，助力工程師構(gòu)建穩(wěn)定、抗干擾的串口通信鏈路。

本文主要從硬件設(shè)計(jì)的角度，分享串口設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵注意點(diǎn)，軟件開發(fā)方面不做深入探討。

一、串口相關(guān)管腳

Air8000支持4個(gè)串口，分別是：

主串口：UART1；

擴(kuò)展串口：UART3、UART11、UART12；

對應(yīng)的管腳如下：

其中UART3可以復(fù)用，可使用pins_Air8000.json進(jìn)行復(fù)用。

例如：需要38、39管腳復(fù)用為UART3，可以如下配置。

Air8000系列管腳最新映射表下載：

https://docs.openluat.com/air8000/luatos/hardware/design/uart/

二、串口功能特性

2.1 主串口特性

主串口UART1用于模塊的數(shù)據(jù)傳輸和外部通信及模塊控制，特性包括：

TTL電平串口，電平為3.3V；

待機(jī)狀態(tài)下為高電平；

支持模組休眠喚醒功能（LPUART)。

Air8000模組在休眠時(shí)，所有串口均為關(guān)閉狀態(tài)，只有主串口支持接收串口數(shù)據(jù)喚醒模組。

注意：在非9600的其他波特率下，進(jìn)行串口收發(fā)數(shù)據(jù)喚醒時(shí)，會丟失前幾個(gè)字節(jié)。

2.2 擴(kuò)展串口

擴(kuò)展串口UART3、UART11、UART12，電氣特性與主串口相同，但不支持休眠喚醒功能。

2.3 注意事項(xiàng)

UART管腳均可作為485通信，但是需要注意如下區(qū)別。

1）串口ID小于10時(shí)：485的控制IO需要選用GPIO ID需要小于128；

2）串口ID大于10時(shí)：485控制IO需要選用GPIO ID大于或者等于128。

三、硬件設(shè)計(jì)指導(dǎo)

3.1 串口的連接方式

模組串口遵循MODEM串口標(biāo)準(zhǔn)，DTR、DSR、CTS、RTS信號采用直連方式（不要交叉連接），與標(biāo)準(zhǔn)RS232連接方式不同。

在物聯(lián)網(wǎng)串口應(yīng)用中，通常保留TX/RX加流控管腳的5線串口形式，但模組的CTS管腳起標(biāo)準(zhǔn)RTS功能，RTS管腳起標(biāo)準(zhǔn)CTS功能。

流控管腳也可省略，形成3線串口(RX/TX/GND)。 主串口的型號命名很容易讓人聯(lián)想到RS232標(biāo)準(zhǔn)的DB9接口，其實(shí)不然，模組的串口連接方式與標(biāo)準(zhǔn)RS232連接方式有所不同。

標(biāo)準(zhǔn)RS232串口連接方式如下圖所示，特點(diǎn)是交叉連接：

而模組串口遵循的是早期賀氏(HAYES)公司制定的MODEM串口標(biāo)準(zhǔn)，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下，DTR/DSR/CTS/RTS信號的功能有所不同。

MODEM串口標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)下，DTR/DSR/CTS/RTS采用的是直連方式。

如下圖示：

在逐漸的演變過程中，DCD/DSR/RI逐漸演變?yōu)槠渌莫?dú)立功能，在物聯(lián)網(wǎng)串口應(yīng)用中僅保留T/RX加流控管腳的5線串口的形式。

但是CTS/RTS的命名規(guī)則保留了下來，雖然CTS/RTS采用直連的方式，但是實(shí)際上模組的CTS管腳起到的功能是標(biāo)準(zhǔn)RTS功能；模組RTS管腳起到的功能是標(biāo)準(zhǔn)CTS功能。

5線串口連接方式如下：

甚至流控管腳也不是必須，就變成了3線串口：

3.2 串口的電平轉(zhuǎn)換

Air8000的串口是TTL電平串口，TTL電平串口會有輸入輸出判別門限，如下圖：

同時(shí)，外接MCU或者外設(shè)的TTL電平串口同樣有判別門限。

一般來說，TTL電平的判別門限高低取決于IO供電電平VDD的高低。如果串口雙方的判別門限差別較大，一方的輸出高電平落在對方的高電平判別門限下，就容易出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。

在串口雙方電平不一致的情況，就要增加電平轉(zhuǎn)換電路來轉(zhuǎn)換通信電平。

1）雙方模組串口電平差別不大的情況

例如，模組串口電平3.3V，MCU串口電平3.0V。按照上圖判別門限，模組的輸入高判別門限為：

0.7x3.3=2.31V

MCU串口高電平輸出為3V，高于模組的輸入高判別門限，能夠穩(wěn)定判斷。這種情況下即使MCU與模組的電平不一致，直接連接也不會造成通信問題。

通常這種情況下，無需電平轉(zhuǎn)換，只需要在串口TX/RX信號線上串聯(lián)限流電阻即可。

限流電阻用于減小串口電平不匹配造成的漏電，通常按經(jīng)驗(yàn)串聯(lián)1K電阻即可，注意串聯(lián)電阻不宜過大，會影響串口信號的上升下降時(shí)間，從而影響串口信號質(zhì)量。

需要特別注意：

不要只看判別門限，還要考慮串口的耐壓，即使落在判別門限內(nèi)，但是一方高電平高于對方的IO耐壓值的情況下就不能要串聯(lián)電阻的方式，還是老老實(shí)實(shí)加串口電平轉(zhuǎn)換。

一般來說，雙方的電平差不宜超過0.5V。

2）晶體管的電平轉(zhuǎn)方案

在串口波特率不高的情況下（如115200），可以通過NPN晶體管的方式進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

優(yōu)點(diǎn)：成本低；

劣勢：低電平下會被三極管的飽和管壓降抬高（通常在0.1V左右，不影響通信）；開關(guān)速度不夠，超過460800波特率時(shí)不建議用這種方式。

參考設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)如下：

3）電平轉(zhuǎn)換芯片方案

對成本不敏感的話，優(yōu)先考慮用電平轉(zhuǎn)換芯片，無論速度，可靠性都很完美。

對于設(shè)計(jì)方面只要注意芯片選型，同時(shí)模組端參考電平注意用AGPIO3，其他的參考具體芯片參考設(shè)計(jì)即可，沒有太多注意事項(xiàng)。

考慮到電平轉(zhuǎn)換芯片價(jià)格與通道數(shù)量成正相關(guān)，也可以采用TX/RX用雙通道電平轉(zhuǎn)換芯片，其他流控信號用晶體管或者分壓方式來做電平轉(zhuǎn)換，兼顧性能和成本。

今天的內(nèi)容就分享到這里了~

審核編輯 黃宇