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(yīng)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(fù)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(yīng)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(fù)用器來選擇相應(yīng)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(fù)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(yīng)選擇相應(yīng)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? 　　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(fù)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 　　[table=98%][tr][td=1,1,27%]　[/td][td=1,1,36%]分立器件板[/td][td=1,1,37%]綜合器件板[/td][/tr][tr][td=1,1,27%]供電電壓[/td][td=1,1,36%]+5V，-5V，+12V，-12V[/td][td=1,1,37%]+5V[/td][/tr][tr][td=1,1,27%]所需收發(fā)器芯片數(shù)[/td][td=1,1,36%]12[/td][td=1,1,37%]1[/td][/tr][tr][td=1,1,27%]支持的物理層協(xié)議[/td][td=1,1,36%]RS-232，RS-422，RS-449，EIA-530，V.35，V.36[/td][td=1,1,37%]RS-232，RS-422，RS-449，RS-485，EIA-530，EIA-530A，V.35,V.36[/td][/tr][tr][td=1,1,27%]協(xié)議選擇方式[/td][td=1,1,36%]跳線或開關(guān)[/td][td=1,1,37%]軟件或硬件（通過內(nèi)部譯碼）[/td][/tr][tr][td=1,1,27%]串口板大小[/td][td=1,1,36%]除了15個收發(fā)器芯片外還需其它硬件支持[/td][td=1,1,37%]非常小[/td][/tr][tr][td=1,1,27%]功耗[/td][td=1,1,36%]大約1W[/td][td=1,1,37%]大約100mW～250mW[/td][/tr][/table] 　　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(luò)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(luò)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(fù)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(yīng)用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、信息業(yè)務(wù)單元CSU和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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 　　[table=98%][tr][td=1,1,20%]LTC1546模式名稱[/td][td=1,1,8%]M2[/td][td=1,1,7%]M1[/td][td=1,1,8%]M0[/td][td=1,1,10%]DCE/DTE[/td][td=1,1,8%]D1[/td][td=1,1,8%]D2[/td][td=1,1,8%]D3[/td][td=1,1,8%]R1[/td][td=1,1,7%]R2[/td][td=1,1,8%]R3[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]未用（缺省V.11）[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,7%]0[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,10%]0[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,7%]V.11[/td][td=1,1,8%]　[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]RS530A[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,7%]0[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,10%]0[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,7%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]RS530[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,7%]1[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,10%]0[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,7%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]X.21[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,7%]1[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,10%]0[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,7%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]V.35[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,7%]0[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,10%]0[/td][td=1,1,8%]V.35[/td][td=1,1,8%]V.35[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]V.35[/td][td=1,1,7%]V.35[/td][td=1,1,8%]V.35[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]RS449/V.36[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,7%]0[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,10%]0[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,7%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]V.28/RS232[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,7%]1[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,10%]0[/td][td=1,1,8%]V.28[/td][td=1,1,8%]V.28[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]V.28[/td][td=1,1,7%]V.28[/td][td=1,1,8%]V.28[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]無電纜[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,7%]1[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,10%]0[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,7%]Z[/td][td=1,1,8%]Z[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]未用（缺省V.11）[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,7%]0[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,10%]1[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,7%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]RS530A[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,7%]0[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,10%]1[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,7%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]RS530[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,7%]1[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,10%]1[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,7%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]X.21[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,7%]1[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,10%]1[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,7%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]B.35[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,7%]0[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,10%]1[/td][td=1,1,8%]V.35[/td][td=1,1,8%]V.35[/td][td=1,1,8%]V.35[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,7%]V.35[/td][td=1,1,8%]V.35[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]RS449/V.36[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,7%]0[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,10%]1[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,7%]V.11[/td][td=1,1,8%]V.11[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]V.28/RS232[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,7%]1[/td][td=1,1,8%]0[/td][td=1,1,10%]1[/td][td=1,1,8%]V.28[/td][td=1,1,8%]V.28[/td][td=1,1,8%]V.28[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,7%]V.28[/td][td=1,1,8%]V.28[/td][/tr][tr][td=1,1,20%]無電纜[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,7%]1[/td][td=1,1,8%]1[/td][td=1,1,10%]1[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,8%]Z[/td][td=1,1,7%]Z[/td][td=1,1,8%]Z[/td][/tr][/table] 　　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(yīng)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(yīng)當分別用103Ω端接，而LTC1546和LTC1544上的其它接收器則應(yīng)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肈CE電纜發(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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)為3.3μF。所有電容耐壓均應(yīng)為16V，同時應(yīng)盡可能放置在LTC1546的附近以減少EMI干擾。 　　在V.35模式中，LTC1546中的開關(guān)S1和S2將導(dǎo)通，同時應(yīng)連接一個T型網(wǎng)絡(luò)阻抗，以將接收器的30kΩ輸入阻抗與T網(wǎng)絡(luò)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(fù)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。