UART 1通信电路

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。

主串口MAIN_UART（uart1）对应的管脚如下：

管脚编号	管脚名称	描述
17	MAIN_RXD	串口数据接收
18	MAIN_TXD	串口数据发射
19	MAIN_DTR*	唤醒中断输入管脚
20	MAIN_RI*	振铃信号
21	MAIN_DCD*	载波检测*
22	MAIN_CTS	模块发送清除（输出）
23	MAIN_RTS	模块发送请求（输入）

*注： MAIN_DTR，MAIN_RI, MAIN_DCD 管脚严格意义来说，并不能归为串口功能，MAIN_DTR，MAIN_RI,是独立的控制功能管脚，MAIN_DCD目前并无功能，仅仅作为普通GPIO。

功能描述

主串口：
模块的AT指令控制，数据传输都是通过主串口来实现，注意，即使采用二次开发方式，也建议优先用主串口进行外部通信和模块控制。
主串口有以下特性：
为TTL电平串口（Air780E所有串口均为TTL电平串口），电平为3.3V/1.8V（默认）电平。（两种串口电平选择，可以通过pin 100管脚配置或者二次开发代码配置）。
默认波特率115200，可以通过AT+IPR指令来配置波特率，最大支持921600波特率。支持自适应波特率。
只有主串口支持模块休眠唤醒功能（LPUART）。Air780E模块在休眠时，所有串口均为关闭状态，只有主串口支持接收串口数据唤醒模块。注意，在非9600的其他波特率下，进行串口收发数据唤醒时，会丢失前几个字节。
MAIN_DTR管脚，为中断输入管脚，用于唤醒模块。DTR管脚内部串联5.6K电阻，而且内部上拉，外部直连即可，不建议外接上拉
MAIN_DCD管脚：目前无功能，普通GPIO。
MAIN_RI管脚：振铃管脚，当模块收到短信时，会输出120ms 低脉冲通知主控来信。同时也可以通过AT+CFGRI指令设置URC上报提醒，当AT+CFGRI=1时，网络URC来到时，也会产生120ms低脉冲。详细功能介绍参考《Luat 4G LTE 模块AT命令手册》
主串口支持软件/硬件流控功能。在模块与上位机大数据传输过程中，如果两边的发射和接收处理速度不一致，会导致串口缓存溢出，导致数据丢失。这种情况下就要用到串口流控功能，通过暂停对方数据发送，来适配数据接收方的处理速度。
- 软件流控：软件流控发送不同的字符去暂停(XOFF，十进制 19)和恢复(XON，十进制 17)数据流。注意，当模块传送的是二进制/十六进制数据时，不适合软件流控方式，因为TE可能会将二进制数据当成流控字符。所以，软件流控只适用于只有三线的串口。
- 硬件流控：硬件流控通过MAIN_RTS/MAIN_CTS 信号来实现。当接收缓存快满的时候，模块把 CTS 信号设置为无效，数据传输被暂停。当模块的接收缓存可以接收更多数据时，CTS 信号重新被设置为有效。要实现硬件流控功能，请确保你的应用串口要连接 RTS/CTS 线。注意流控连接方式为直连的方式：RTS-----RTS; CTS-----CTS.
  
  注意：默认流控是关闭状态，若要使用串口流控需要通过指令AT+IFC来打开，详见《Luat 4G LTE 模块AT命令手册》

硬件设计指导

串口的连接方式：
串口的型号命名很容易让人联想到RS232标准的DB9接口，其实不然，模块的串口连接方式与标准RS232连接方式有所不同，如下是标准RS232串口连接方式，特点是交叉连接。
而模块串口遵循的是早期贺氏(HAYES)公司制定的MODEM串口标准，在这个标准下，DTR,DSR,CTS,RTS信号的功能有所不同。MODEM串口标准标准下DTR, DSR，CTS，RTS采用的是直连方式，如下图
在逐渐的演变过程中，DCD ,DSR,RI 逐渐演变为其他的独立功能，在物联网串口应用中仅保留T/RX加流控管脚的5线串口的形式，但是CTS ，RTS的命名规则保留了下来，虽然CTS/RTS采用直连的方式，但是实际上模块的CTS管脚起到的功能是标准RTS功能；模块RTS管脚起到的功能是标准CTS功能。连接方式如下：

甚至流控管脚也不是必须，就变成了3线串口：

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。