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一種多協議串行通信接口的設計方法
摘要：文章對多種協議串行通信進行了分析與討論，給合Linear公司生產的多協議串口芯片，針對傳統串口通信實現中的問題以及實際的廣域網串行通信的需求，提出了一種多協議串行接口的設計實現方法。關鍵詞：多協議串口通信；通信協議； 收發器；連接器； 多協議串口芯片 LTC1546/LTC1544
隨著通信網技術的進一步發展，越來越多的互連網設備（如路由器、開關、網關、存取裝置）中的串行接口在廣域網（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）中被設計成能夠支持多種物理接口協議或標準。廣域網串行口協議包括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，實現多協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 傳統多協議通信的特點和問題
１．１ “子板”方式
廣域網串口應用中的通用實現方法是為所需的每一種物理協議提供一個獨立的子板。一個支持ＥＩＡ－２３２，ＥＩＡ－４４９及Ｖ．３５協議的系統，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議要求配置一塊子板，因此系統需要對ＰＣＢ子板、收發器芯片、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器芯片，可以滿足多串口協議的要求，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，較好的辦法是根據信號而不是根據協議來分配管腳，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議的發送信號ＴｘＤ。
這種方法同樣也會帶來一個問題，即所有收發器的Ｉ／Ｏ線至通用連接器的管腳必須彼此共用。例如，一個Ｖ．２８驅動器芯片中的發送數據信號線的接連接器ＤＢ－２５的管腳２；同時，一個Ｖ．１１驅動器芯片中的發送數據信號線要接至連接器的管腳２和１４；而Ｖ．３５驅動器芯片中發送數據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特性，以禁止不必要的輸出。若收發器沒有三態特性，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器在禁止使用時會產生漏電電流。如果選擇了Ｖ．２８協議，其輸出電壓理論值為１５Ｖ。此時對于Ｖ．１１協議的驅動器會被禁用，而處于三態時，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協議的驅動器信號不受影響。如果在發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，這樣，在實現ＤＴＥ／ＤＣＥ轉換時可最大程度地減小收發器的復雜性，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，則可將收發器配置為兩套以分別支持ＤＴＥ、ＤＣＥ方式。而將ＤＴＥ收發器的驅動器輸出與ＤＣＥ收發器的接收器輸入相連，而將接收器輸入端與ＤＣＥ收發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。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，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 多協議串口通信的實現原理
傳統設計中，針對某種協議通常應選擇相應的收發芯片，如對于ＲＳ－２３２協議，常用ＤＳ－１４８８／ＤＳ－１４８９、ＭＡＸ２３２或ＳＰ２０８等收發器芯片；而對于ＲＳ－４４９協議，則常使用ＳＮ７５１７９Ｂ、ＭＡＸ４８８、ＭＡＸ４９０等收發器芯片。當同時使用ＲＳ－２３２、ＲＳ－４２２和Ｖ．３５協議時，就需要多個收發器芯片來支持不同的協議。
現在，一些收發器的生產廠商研制出了多協議收發器芯片。Ｓｉｐｅｘ是第一家生產出ＲＳ－２３２／ ＲＳ－４２２軟件可選擇協議芯片ＳＰ３０１的公司。這種芯片可將ＲＳ－２３２和ＲＳ－４２２收發器的電氣特性綜合到一個芯片中實現。其中ＳＰ５０Ｘ系列產品最多可支持８種協議標準。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。用戶可根據自己的需要選擇適當的芯片。
圖２為采用分立的收發器芯片與采用一片多協議收發器芯片實現多協議串口通信的通信卡。從圖可知，前者實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 兩種方法實現串口通信的性能比較
除此之外，與分立收發器芯片相比，多協議收發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議時，驅動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議的常用模式范圍。
另外，由于外部網絡終端對Ｖ．３５的需求，使得與Ｖ．３５收發器的連接不能象其它協議那么簡單。當使用分立收發器芯片時，常常通過采用昂貴的繼電器開關電阻在選擇其它協議接口時將Ｖ．３５網絡終端斷開，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方法。而多協議串口芯片則自動提供適當的終端和片上開關來符合Ｖ．１０、Ｖ．１１、Ｖ．２８和Ｖ．３５電氣協議，從而解決了電纜終端轉換問題。
３ 基于ＬＴＣ１５４６／４４的多協議通信
為了說明多協議串口芯片的工作原理，現以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接收器的收發器，其主要特點如下：
● 帶有軟件可選的收發器可支持ＲＳ２３２、ＲＳ４４９、ＥＩＡ５３０、ＥＩＡ５３０Ａ、Ｖ．３５、Ｖ．３６和Ｘ．２１協議?
● 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接收器的收發器，其主要特點有：
● 軟件可選的收發器支持ＲＳ２３２、ＲＳ４４９、ＥＩＡ５３０、ＥＩＡ５３０Ａ、Ｖ．３５、Ｖ．３６和Ｘ．２１協議?
● 采用ＬＴＣ１３４４Ａ作為軟件可選的電纜終端?
● 采用ＬＴＣ１５４３、ＬＴＣ１５４４Ａ或ＬＴＣ１５４６可實現完整的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，以應用于數據網絡、信息業務單元?ＣＳＵ?和數據業務單元(ＤＳＵ)或數據路由器中，它支持多種協議，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據信號。ＬＴＣ１５４４則用來產生控制信號及本地環路返回信號(Ｌｏｃａｌ Ｌｏｏｐ－ｂａｃｋ，ＬＬ)。接口協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；而對于時鐘和數據信號，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?來實現對引腳Ｍ０、Ｍ１和Ｍ２的控制，也可通過適當的接口電纜插入到連接器上實現外部選擇控制。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。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。可以通過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對通信協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送。例如，在ＤＴＥ模式中，ＴｘＤ信號通過ＬＴＣ１５４６的驅動器１發送到引腳２和１４。在ＤＣＥ模式中，驅動器則將ＲｘＤ信號發送到引腳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芯片實現多協議串口通信（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型網絡阻抗，以將接收器的３０ｋΩ輸入阻抗與Ｔ網絡終端并聯起來，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接收器的收發器，ＬＴＣ１５４６是４驅動器／４接收器的收發器，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
實現多協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。設計者可根據自己的需求來選擇。當設計一個支持各種物理層協議的復雜ＤＴＥ／ＤＣＥ模式時，和使用許多分立的元器件相比，選擇一個單片多協議串行收發器將會簡化配置，同時所設計的電路也會更靈活、方便和簡單。
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