串口作為Air780EPM模塊的核心通信接口，承擔(dān)著設(shè)備控制、數(shù)據(jù)傳輸及外設(shè)交互等關(guān)鍵功能，在物聯(lián)網(wǎng)終端、智能設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化等場景中不可或缺。

一、概述

串口作為 Air780EPM 模塊最最主要的通信接口，承擔(dān)著控制，數(shù)據(jù)傳輸，外設(shè)通信等重要功能?；旧辖^大部分的 Cat.1 應(yīng)用場景都會(huì)用到。而 Air780EPM 模塊的串口特性和使用要求上與通常的 MCU 串口會(huì)有些不同，導(dǎo)致在第一次用 Air780EPM 模塊做設(shè)計(jì)時(shí)容易踩到一些坑。

特別說明： Air780EPM 不支持AT指令操作，3 個(gè) UART ( UART1 UART2 UART3) 僅用于 LuatOS 二次開發(fā)使用；

本文主要從硬件設(shè)計(jì)的角度，著重講解串口設(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。

二、串口相關(guān)管腳

Air780EPM 支持 4 個(gè)串口，分別是主串口 UART1(MAIN_UART), UART2(AUX_UART)和UART3, 調(diào)試串口 UART0(DBG_UART)。對(duì)應(yīng)的管腳如下：

三、功能描述

主串口UART1：模塊的數(shù)據(jù)傳輸主要通過主串口 UART1 來實(shí)現(xiàn)，建議優(yōu)先用主串口進(jìn)行外部通信和模塊控制。 主串口 UART1 有以下特性：

TTL 電平串口（Air780EPM 所有串口均為 TTL 電平串口），電平為 3.0V(默認(rèn))/1.8V電平。（兩種串口電平選擇，可以通過 PIN 100 管腳配置或者二次開發(fā)代碼配置）。

只有主串口支持模塊休眠喚醒功能（LPUART)。Air780EPM 模塊在休眠時(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)喚醒模塊。 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(huì)丟失前幾個(gè)字節(jié)。

待機(jī)狀態(tài)下：高電平。

擴(kuò)展串口：

擴(kuò)展串口 UART2 和 UART3 從硬件上的電氣特性來說與主串口一樣（但是不能支持休眠喚醒功能）。

調(diào)試串口：

調(diào)試串口 UART0，用來輸出模塊的運(yùn)行日志。 調(diào)試串口固定波特率 961200 不可更改，不建議連接任何外設(shè)，但建議設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留測試點(diǎn)。調(diào)試串口日志數(shù)據(jù)有專門的協(xié)議，如果用普通的串口工具抓取會(huì)顯示亂碼，只有用專用調(diào)試工具，如有需要請(qǐng)聯(lián)系官方技術(shù)人員。 對(duì)于 openCPU 二次開發(fā)應(yīng)用來說，調(diào)試串口可以配置為一般串口使用，但是要注意，即使配置為一般串口在開機(jī)時(shí)軟件跑起來前的這段時(shí)間內(nèi)，仍然會(huì)輸出調(diào)試日志，這就有可能對(duì)外接的外設(shè)造成誤動(dòng)作。同理，將調(diào)試串口配置為 GPIO 使用時(shí)也會(huì)有這個(gè)問題。因此萬不得已情況下不要使用調(diào)試串口做其他功能。

四、硬件設(shè)計(jì)指導(dǎo)

串口的連接方式：

主串口的型號(hào)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，模塊的串口連接方式與標(biāo)準(zhǔn) RS232 連接方式有所不同，如下是標(biāo)準(zhǔn) RS232 串口連接方式，特點(diǎn)是交叉連接。

模塊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(hào)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

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)際上模塊的 CTS 管腳起到的功能是標(biāo)準(zhǔn) RTS 功能；模塊 RTS 管腳起到的功能是標(biāo)準(zhǔn) CTS 功能。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：

串口的電平轉(zhuǎn)換：

Air780EPM 的串口是 TTL 電平串口，TTL 電平串口會(huì)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(duì)方的高電平判別門限下，就容易出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象，雖說 Air780EPM 可以通過 100 管腳來選擇串口電平，但也僅有 1.8V 和 3.3V 兩個(gè)檔位，無法覆蓋全部情況，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。

雙方模塊串口電平差別不大的情況：

例如，模塊串口電平 3.3V， MCU 串口電平 3.0V。按照上圖判別門限，模塊的輸入高判別門限為 0.7x3.3=2.32V，所以 MCU 串口高電平輸出為 3V，高于模塊的輸入高判別門限，能夠穩(wěn)定判斷。這種情況下即使 MCU 與模塊的電平不一致，直接連接也不會(huì)造成通信問題。通常這種情況下，無需電平轉(zhuǎn)換，只需要在窗口 TX RX 型號(hào)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(huì)影響串口型號(hào)的上升下降時(shí)間，從而影響串口信號(hào)質(zhì)量。

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(duì)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

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，參考設(shè)計(jì)如下圖，這種方式的優(yōu)點(diǎn)：成本低； 劣勢：低電平下會(huì)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。

設(shè)計(jì)注意：

模塊RXD上拉電源選擇，上圖選擇AGPIO做上拉而沒有選擇VDD_EXT電源做上拉，是因?yàn)閂DD_EXT在模塊休眠時(shí)會(huì)關(guān)閉，會(huì)導(dǎo)致RXD上產(chǎn)生一個(gè)低電平，又由于主串口支持休眠喚醒，就導(dǎo)致這個(gè)低電平讓串口產(chǎn)生中斷將模塊喚醒，最終導(dǎo)致模塊無法休眠。所以在需要休眠的應(yīng)用設(shè)計(jì)上，禁止用VDD_EXT電源上拉串口。

三極管的基極要用較低電平的一方參考電平來上拉，否則容易找出三級(jí)管不能完截止。

RXD和TXD的上拉電阻在不影響信號(hào)質(zhì)量的情況下盡量加大，一方面是降低休眠功耗，一方面是降低AGPIO的驅(qū)動(dòng)負(fù)荷(Air780EPM所有AGPIO共享5mA最大驅(qū)動(dòng)電流)。

對(duì)于三極管選型并沒有嚴(yán)格要求，通用的3904NPN三極管都能滿足要求

電平轉(zhuǎn)換芯片方案：

電平轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)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(duì)于設(shè)計(jì)方面只要注意芯片選型，同時(shí)模塊端參考電平注意用 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(hào)用晶體管或者分壓方式來做電平轉(zhuǎn)換。兼顧性能和成本。

電平轉(zhuǎn)換芯片選型：

TXS0102/TXS0104/TXS0108系列，2/4/8通道，品牌TI

RS0102/RS0104/RS0108系列，2/4/8通道，品牌潤石

SGM4553 ， 雙通道，品牌圣邦威

五、總結(jié)

雖然串口這個(gè)硬件總線原理簡單，速率低速，設(shè)計(jì)也不復(fù)雜，但是對(duì)于 Cat.1 通信系統(tǒng)尤其是低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，串口的設(shè)計(jì)就會(huì)牽涉到休眠和功耗，因此在設(shè)計(jì)中還是要有足夠的重視。

審核編輯 黃宇