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一种多协议串行通信接口的设计方法
摘要：文章对多种协议串行通信进行了分析与讨论，给合Linear公司生产的多协议串口芯片，针对传统串口通信实现中的问题以及实际的广域网串行通信的需求，提出了一种多协议串行接口的设计实现方法。关键词：多协议串口通信；通信协议； 收发器；连接器； 多协议串口芯片 LTC1546/LTC1544
随着通信网技术的进一步发展，越来越多的互连网设备（如路由器、开关、网关、存取装置）中的串行接口在广域网（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）中被设计成能够支持多种物理接口协议或标准。广域网串行口协议包括ＲＳ－２３２，ＲＳ－４４９，ＥＩＡ－５３０，Ｖ．３５ ，Ｖ．３６以及Ｘ．２１等。图１所示是一个简单的串行通信接口示意图。由图可知，实现多协议串口通信的关键是将连接器送来的不同传输方式?平衡、非平衡?和不同电气信号通过收发器转换为终端能够识别并处理的、具有ＴＴＬ电平的信号。
１ 传统多协议通信的特点和问题
１．１ “子板”方式
广域网串口应用中的通用实现方法是为所需的每一种物理协议提供一个独立的子板。一个支持ＥＩＡ－２３２，ＥＩＡ－４４９及Ｖ．３５协议的系统，通常需要三个独立的子板以及三个不同的连接器。这种方法由于每种协议要求配置一块子板，因此系统需要对ＰＣＢ子板、收发器芯片、连接器等进行管理，这样既浪费资源，又会使管理工作复杂化。
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１．２ 通用连接器方式
为解决“子板”方式的缺点，可使用一块母板及通用连接器。一个母板上有多种收发器芯片，可以满足多串口协议的要求，并可共用一些通用器件，同时可减少资源的浪费。在配置中，应注意因连接器的管脚较少而带来的问题，较好的办法是根据信号而不是根据协议来分配管脚，即给每一个信号分配一个通用管脚，而不管其物理协议如何定义。如对ＥＩＡ－２３２，ＥＩＡ－４４９，ＥＩＡ－５３０，Ｖ．３５和Ｖ．３６来说，其ＴｘＤ信号可连至连接器相同的管脚。即ＳＤ?ａ?信号连接到管脚２，ＳＤ?ｂ?信号连接到管脚１４。然后利用这对管脚来描述所有协议的发送信号ＴｘＤ。
这种方法同样也会带来一个问题，即所有收发器的Ｉ／Ｏ线至通用连接器的管脚必须彼此共用。例如，一个Ｖ．２８驱动器芯片中的发送数据信号线的接连接器ＤＢ－２５的管脚２；同时，一个Ｖ．１１驱动器芯片中的发送数据信号线要接至连接器的管脚２和１４；而Ｖ．３５驱动器芯片中发送数据信号线也会接至连接器的管脚２和１４。这样，通用连接器的管脚２将同时接有三根信号线，管脚１４接有两根信号线。这样，在这一配置中，所有的驱动器都必须具有三态特性，以禁止不必要的输出。若收发器没有三态特性，则需要使用一个多路复用器来选择相应的输出端。由此带来的另一个问题是收发器在禁止使用时会产生漏电电流。如果选择了Ｖ．２８协议，其输出电压理论值为１５Ｖ。此时对于Ｖ．１１协议的驱动器会被禁用，而处于三态时，其输出漏电电压就必须足够低，才能使得连在同一连接器管脚的Ｖ．２８协议的驱动器信号不受影响。如果在发送器与接收器之间有隔断开关，则开关也要考虑漏电情况。
１．３ 串口的ＤＴＥ／ＤＣＥ模式切换
ＤＴＥ／ＤＣＥ的切换可通过选择不同的连接器转换电缆来实现，这样，在实现ＤＴＥ／ＤＣＥ转换时可最大程度地减小收发器的复杂性，但缺点是需要更换电缆，尤其是设备放置位置不便或ＤＴＥ／ＤＣＥ需要频繁切换时这一点尤为突出。
如果保持传输电缆不变，则可将收发器配置为两套以分别支持ＤＴＥ、ＤＣＥ方式。而将ＤＴＥ收发器的驱动器输出与ＤＣＥ收发器的接收器输入相连，而将接收器输入端与ＤＣＥ收发器的驱动器输出相连。为了控制ＤＴＥ或ＤＣＥ方式，驱动器或接收器的输出必须为三态。当选择为ＤＴＥ方式时，ＤＣＥ芯片禁止，其驱动器和接收器处于三态，反之亦然。
该方法虽然解决了对电缆的频繁更换问题，但由于多用了一套收发器而使得设计成本大为提高，且串口板的体积也大了很多。
２ 多协议串口通信的实现原理
传统设计中，针对某种协议通常应选择相应的收发芯片，如对于ＲＳ－２３２协议，常用ＤＳ－１４８８／ＤＳ－１４８９、ＭＡＸ２３２或ＳＰ２０８等收发器芯片；而对于ＲＳ－４４９协议，则常使用ＳＮ７５１７９Ｂ、ＭＡＸ４８８、ＭＡＸ４９０等收发器芯片。当同时使用ＲＳ－２３２、ＲＳ－４２２和Ｖ．３５协议时，就需要多个收发器芯片来支持不同的协议。
现在，一些收发器的生产厂商研制出了多协议收发器芯片。Ｓｉｐｅｘ是第一家生产出ＲＳ－２３２／ ＲＳ－４２２软件可选择协议芯片ＳＰ３０１的公司。这种芯片可将ＲＳ－２３２和ＲＳ－４２２收发器的电气特性综合到一个芯片中实现。其中ＳＰ５０Ｘ系列产品最多可支持８种协议标准。其它生产厂家如Ｌｉｎｅａｒ公司生产的ＬＴＣ１５４ｘ系列、ＬＴＣ２８４ｘ系列芯片也具有以上功能。用户可根据自己的需要选择适当的芯片。
图２为采用分立的收发器芯片与采用一片多协议收发器芯片实现多协议串口通信的通信卡。从图可知，前者实现的复杂度要远远大于后者，具体的性能比较如表１所列。
表1 两种方法实现串口通信的性能比较
除此之外，与分立收发器芯片相比，多协议收发器对驱动器使能控制和对输出漏电电流的处理要容易得多。当通过软件或硬件方法选择某一协议时，驱动器和接收器的电气参数将调整至适当的大小，电路内部将自动控制驱动器的输出电平、接收器的输入门限、驱动器和接收器的阻抗值以及每一物理层协议的常用模式范围。
另外，由于外部网络终端对Ｖ．３５的需求，使得与Ｖ．３５收发器的连接不能象其它协议那么简单。当使用分立收发器芯片时，常常通过采用昂贵的继电器开关电阻在选择其它协议接口时将Ｖ．３５网络终端断开，或者要求用户每选择一个新的接口标准就改变一次终端模块，这样既浪费资源又会使接口电路变得复杂，因而不是一种理想的实现方法。而多协议串口芯片则自动提供适当的终端和片上开关来符合Ｖ．１０、Ｖ．１１、Ｖ．２８和Ｖ．３５电气协议，从而解决了电缆终端转换问题。
３ 基于ＬＴＣ１５４６／４４的多协议通信
为了说明多协议串口芯片的工作原理，现以Ｌｉｎｅａｒ公司的ＬＴＣ１５４６／１５４４芯片为例进行分析。
３．１ ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４的性能
ＬＴＣ１５４６芯片是一个３驱动器／３接收器的收发器，其主要特点如下：
● 带有软件可选的收发器可支持ＲＳ２３２、ＲＳ４４９、ＥＩＡ５３０、ＥＩＡ５３０Ａ、Ｖ．３５、Ｖ．３６和Ｘ．２１协议?
● 可提供片上电缆终端?
● 与ＬＴＣ１５４３引脚兼容?
● 与ＬＴＣ１５４４配合可完成完整的ＤＴＥ或ＤＣＥ?
● 工作在５Ｖ单电源?
● 占位面积小。
ＬＴＣ１５４４芯片是一个４驱动器／４接收器的收发器，其主要特点有：
● 软件可选的收发器支持ＲＳ２３２、ＲＳ４４９、ＥＩＡ５３０、ＥＩＡ５３０Ａ、Ｖ．３５、Ｖ．３６和Ｘ．２１协议?
● 采用ＬＴＣ１３４４Ａ作为软件可选的电缆终端?
● 采用ＬＴＣ１５４３、ＬＴＣ１５４４Ａ或ＬＴＣ１５４６可实现完整的ＤＴＥ或ＤＣＥ端口?
● 与ＬＴＣ１５４３同样工作于５Ｖ单电源。
这两种芯片均采用２８引线ＳＳＯＰ表面贴封装，图３所示为其引脚排列。
由ＬＴＣ１５４６／ ＬＴＣ１５４４可组成一套完整的软件可选择ＤＴＥ或ＤＣＥ接口，以应用于数据网络、信息业务单元?ＣＳＵ?和数据业务单元(ＤＳＵ)或数据路由器中，它支持多种协议，电缆终端可在片上提供，因此不再需要单独的终端设计。其中，ＬＴＣ１５４６每个端口的一半用来产生和适当终止时钟和数据信号。ＬＴＣ１５４４则用来产生控制信号及本地环路返回信号(Ｌｏｃａｌ Ｌｏｏｐ－ｂａｃｋ，ＬＬ)。接口协议通过模式选择引脚Ｍ０、Ｍ１和Ｍ２来决定，具体选择方式见表２。
表2 通信协议的模式选择
由表２可知，如果将端口设置为Ｖ．３５模式，模式选择引脚应当为Ｍ２＝１，Ｍ１＝０，Ｍ０＝０。此时，对于控制信号，驱动器和接收器将工作在Ｖ．２８(ＲＳ２３２)模式；而对于时钟和数据信号，驱动器和接收器将工作在Ｖ．３５模式。
模式选择可通过控制电路?或利用跳线将模式引脚接至地或Ｖｃｃ?来实现对引脚Ｍ０、Ｍ１和Ｍ２的控制，也可通过适当的接口电缆插入到连接器上实现外部选择控制。若选用后者，则当移开电缆时，全部模式引脚均不连接，即Ｍ０＝Ｍ１＝Ｍ２＝１，此时ＬＴＣ１５４６／ ＬＴＣ１５４４进入无电缆模式。在这种模式中，ＬＴＣ１５４６／１５４４的供电电流将下降到５００μＡ以下，并且ＬＴＣ１５４６／ ＬＴＣ１５４４驱动器输出将被强制进入高阻状态。同时，ＬＴＣ１５４６的Ｒ２和Ｒ３接收器应当分别用１０３Ω端接，而ＬＴＣ１５４６和ＬＴＣ１５４４上的其它接收器则应通过３０ｋΩ电阻接到地。
通过ＤＣＥ／ＤＴＥ引脚可使能ＬＴＣ１５４６中的驱动器３／接收器１、ＬＴＣ１５４４中的驱动器３／接收器１和驱动器４／接收器４；ＬＴＣ１５４４中的ＩＮＶＥＲＴ信号对驱动器４／接收器４起使能作用。可以通过下面两种方法中的一种将ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４设置为ＤＴＥ或ＤＣＥ工作模式：一种是将专门配有适当极性的连接器接至ＤＴＥ或ＤＣＥ端；另一种是通过专用ＤＴＥ电缆或专用ＤＣＥ电缆发送信号给ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４，同时使用一个连接器构成一种既适合ＤＴＥ又适合ＤＣＥ的工作模式。
３．２ 典型应用
图４为一个带有ＤＢ－２５连接器端口并可被设置为ＤＴＥ或ＤＣＥ工作模式的多协议串口通信电路，图中ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４芯片一边与连接器相连，另一边接至ＨＤＬＣ芯片，Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２及ＤＣＥ／ＤＴＥ引脚接至ＥＰＬＤ硬件控制电路以实现对通信协议和工作模式的选择。其中ＤＴＥ或ＤＣＥ工作模式需要连接对应的电缆以保证正确的信号发送。例如，在ＤＴＥ模式中，ＴｘＤ信号通过ＬＴＣ１５４６的驱动器１发送到引脚２和１４。在ＤＣＥ模式中，驱动器则将ＲｘＤ信号发送到引脚２和１４。
图４中，ＬＴＣ１５４６采用一个内部容性充电泵来满足ＶＤＤ和ＶＥＥ。其中，ＶＤＤ为符合Ｖ．２８的正电源电压端，该端应连接一只１Ｆ的电容到地；ＶＥＥ为负电源电压端。一个电压倍增器在ＶＤＤ上将产生大约８Ｖ电压，而电压反相器则将在ＶＥＥ上产生大约－７．５Ｖ的电压。四只１μＦ电容均为表面贴装的钽或陶瓷电容，ＶＥＥ端的电容最小应为３．３μＦ。所有电容耐压均应为１６Ｖ，同时应尽可能放置在ＬＴＣ１５４６的附近以减少ＥＭＩ干扰。
图4 用LTC1546/LTC1544芯片实现多协议串口通信（DTE/DCE可选）
在Ｖ．３５模式中，ＬＴＣ１５４６中的开关Ｓ１和Ｓ２将导通，同时应连接一个Ｔ型网络阻抗，以将接收器的３０ｋΩ输入阻抗与Ｔ网络终端并联起来，但不会显著影响总输入阻抗，因此对于用户来说，这种模式下的电路设计与其它模式下完全相同。
由于ＬＴＣ１５４６是３驱动器／３接收器的收发器，ＬＴＣ１５４６是４驱动器／４接收器的收发器，所以如果同时采用ＲＬ、ＬＬ和ＴＭ信号，则ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４就没有足够的驱动器和接收器。因此，可用ＬＴＣ１５４５来替换ＬＴＣ１５４４。ＬＴＣ１５４５为５驱动器／５接收器的收发器，它能够处理多个可选的控制信号，如ＴＭ和ＲＬ。
所有ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４接收器在全部模式下都具有失效保护功能。如果接收器输入浮置或通过一个终端电阻短接在一起，那么，接收器的输出将永远被强制为一个逻辑高电平。
４ 结束语
实现多协议串口通信的方法很多，不同厂家提供有功能各不相同的串口芯片。设计者可根据自己的需求来选择。当设计一个支持各种物理层协议的复杂ＤＴＥ／ＤＣＥ模式时，和使用许多分立的元器件相比，选择一个单片多协议串行收发器将会简化配置，同时所设计的电路也会更灵活、方便和简单。
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