UART 0调试电路

概述

串口作为Air780E模块最最主要的通信接口，承担着控制，数据传输，外设通信等重要功能。基本上绝大部分的Cat.1应用场景都会用到。而Air780E模块的串口特性和使用要求上与通常的MCU串口会有些不同，导致在第一次用Air780E模块做设计时容易踩到一些坑。本文主要从硬件设计的角度，着重讲解串口设计中的一些关键注意点，软件开发或者AT设置方面不做深入探讨。

串口相关管脚

Air780E支持3个串口，分别是主串口MAIN_UART, 扩展串口AUX_UART, 调试串口DBG_UART。

调试串口DBG_UART（uart0）对应的管脚如下：

管脚编号	管脚名称	描述
38	DBG_RXD	调试串口输入
39	DBG_TXD	调试串口输出

功能描述

调试串口：
调试串口DBG_UART，用来输出模块的运行日志，无法通过AT指令来操作，但是可以通过AT指令（内部指令）来关闭调试串口的日志输出功能，但不建议。
调试串口固定波特率3000000不可更改，不建议连接任何外设，但建议设计时预留测试点。调试串口日志数据有专门的协议，如果用普通的串口工具抓取会显示乱码，只有用专用调试工具，如有需要请联系官方技术人员。
对于openCPU 二次开发应用来说，调试串口可以配置为一般串口使用，但是要注意，即使配置为调试串口在开机时软件跑起来前的这段时间内，仍然会输出调试日志，这就有可能对外接的外设造成误动作。同理，将调试串口配置为GPIO使用时也会有这个问题。因此万不得已情况下不要使用调试串口做其他功能。

硬件设计指导

串口的连接方式：
DBG_UART由于没有流控管脚，所以只需要3线连接。
串口的电平转换：

Air780E的串口是TTL电平串口，TTL电平串口会有输入输出判别门限，如下图。

同时，外接MCU或者外设的TTL电平串口同意有判别门限，一般来说，TTL电平的判别门限高低取决于IO供电电平VDD的高低。如果串口双方的判别门限差别较大，一方的输出高电平落在对方的高电平判别门限下，就容易出现误判的现象，虽说Air780E可以通过100管脚来选择串口电平，但也仅有1.8V和3.3V两个档位，无法覆盖全部情况，在串口双方电平不一致的情况，就要增加电平转换电路来转换通信电平。

双方模块串口电平差别不大的情况：
例如，模块串口电平3.3V， MCU串口电平3.0V。按照上图判别门限，模块的输入高判别门限为0.7x3.3=2.32V，所以MCU串口高电平输出为3V，高于模块的输入高判别门限，能够稳定判断。这种情况下即使MCU与模块的电平不一致，直接连接也不会造成通信问题。通常这种情况下，无需电平转换，只需要在窗口TX RX型号线上串联限流电阻即可，限流电阻用于减小串口电平不匹配造成的漏电，通常按经验串联1K电阻即可，注意串联电阻不宜过大，会印象串口型号的上升下降时间，从而影响串口信号质量。

注意：不要只看判别门限，还要考虑串口的耐压，即使落在判别门限内，但是一方高电平高于对方的IO耐压值的情况下就不能要串联电阻的方式，还是老老实实加串口电平转换。一般来说双方的电平差不宜超过0.5V

晶体管的电平转方案：

在串口波特率不高的情况下（如115200），可以通过NPN晶体管的方式进行电平转换，参考设计如下图，这种方式的优点：成本低；劣势：低电平下会被三极管的饱和管压降抬高（通常在0.1v左右，不影响通信）；开关速度不够，超过460800波特率时不建议用这种方式。

设计注意：

模块RXD上拉电源选择，上图选择AGPIO做上拉而没有选择VDD_EXT电源做上拉，是因为VDD_EXT在模块休眠时会关闭，会导致RXD上产生一个低电平，又由于主串口支持休眠唤醒，就导致这个低电平让串口产生中断将模块唤醒，最终导致模块无法休眠。所以在需要休眠的应用设计上，禁止用VDD_EXT电源上拉串口。
三极管的基极要用较低电平的一方参考电平来上拉，否则容易找出三级管不能完截止。
RXD和TXD的上拉电阻在不影响信号质量的情况下尽量加大，一方面是降低休眠功耗，一方面是降低AGPIO的驱动负荷（Air780E所有AGPIO共享5mA最大驱动电流）。
对于三极管选型并没有严格要求，通用的3904NPN三极管都能满足要求
电平转换芯片方案：
电平转换芯片，对成本不敏感的话，优先考虑用电平转芯片，无论速度，可靠性都很完美。对于设计方面只要注意芯片选型，同时模块端参考电平注意用AGPIO3，其他的参考具体芯片参考设计即可，没有太多注意事项。

考虑到电平转换芯片价格与通道数量成正相关，也可以采用TX RX用双通道电平转换芯片，其他流控信号用晶体管或者分压方式来做电平转换。兼顾性能和成本。

电平转换芯片选型：

TXS0102/TXS0104/TXS0108系列，2/4/8通道，品牌TI
RS0102/RS0104/RS0108系列，2/4/8通道，品牌润石
SGM4553 ，双通道，品牌圣邦威

总结

虽然串口这个硬件总线原理简单，速率低速，设计也不复杂，但是对于CAT.1通信系统尤其是低功耗物联网应用，串口的设计就会牵涉到休眠和功耗，因此在设计中还是要有足够的重视。