一種多協(xié)議串行通信接口的設計方法

關鍵詞：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)技術的進一步發(fā)展，越來越多的互連網(wǎng)設備（如路由器、開關、網(wǎng)關、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。

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，則開關也要考慮漏電情況。

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換電纜來實現(xiàn)，這樣，在實現(xiàn)ＤＴＥ／ＤＣＥ轉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)器的驅動器輸出相連。為了控制ＤＴＥ或ＤＣＥ方式，驅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)器的生產廠商研制出了多協(xié)議收發(fā)器芯片。Ｓｉｐｅｘ是第一家生產出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系列產品最多可支持８種協(xié)議標準。其它生產廠家如Ｌｉｎｅａｒ公司生產的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，驅動器和接收器的電氣參數(shù)將調整至適當?shù)拇笮?，電路內部將自動控制驅動器的輸出電平、接收器的輸入門限、驅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計。其中，ＬＴＣ１５４６每個端口的一半用來產生和適當終止時鐘和數(shù)據(jù)信號。ＬＴＣ１５４４則用來產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中的驅動器３／接收器１、ＬＴＣ１５４４中的驅動器３／接收器１和驅動器４／接收器４；ＬＴＣ１５４４中的ＩＮＶＥＲＴ信號對驅動器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電纜或專用ＤＣＥ電纜發(fā)送信號給ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４，同時使用一個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的驅動器１發(fā)送到引腳２和１４。在ＤＣＥ模式中，驅動器則將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上將產生大約８Ｖ電壓，而電壓反相器則將在ＶＥＥ上產生大約－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計與其它模式下完全相同。

由于ＬＴＣ１５４６是３驅動器／３接收器的收發(fā)器，ＬＴＣ１５４６是４驅動器／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就沒有足夠的驅動器和接收器。因此，可用ＬＴＣ１５４５來替換ＬＴＣ１５４４。ＬＴＣ１５４５為５驅動器／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。設計者可根據(jù)自己的需求來選擇。當設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，同時所設計的電路也會更靈活、方便和簡單。