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。 　　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 　　[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%]所需收發器芯片數[/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%]協議選擇方式[/td][td=1,1,36%]跳線或開關[/td][td=1,1,37%]軟件或硬件（通過內部譯碼）[/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 　　[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。 　　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。