Air780EPM 模块串口电路设计硬件指导

概述

串口作为 Air780EPM 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 Air780EPM 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 Air780EPM 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

Air780EPM 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。对应的管脚如下：

*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（Air780EPM 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。不支持自适应波特率。
• 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，详见合宙 AT 手册；
• 只有主串口支持模块休眠唤醒功能（LPUART)。Air780EPM 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。详细功能逻辑如下：
  • 待机状态下：为高电平。
  • 来电状态*（Air780EPM 暂不支持语言通话）：收到来电通知时，MAIN_RI 管脚会变为电平，直到接通电话或者挂断时恢复为高带电平。
  • 短信接收：当收到短信时，MAIN_RI 管脚会产生一个 120mS 的低脉冲。
  • 数据传输：数据业务（包括 TCPIP,HTTP,MQTT,FTP）到来时的 URC 上报，会产生一个 120ms 低脉冲。（需要 AT+CFGRI=1 将功能使能）。
  • 其他的 URC 上报：当模块主动发起对上位机的 URC 上报时，也会在 MAIN_RI 管脚会产生一个 120mS 的低脉冲，以通知上位机进行接收。（需要 AT+CFGRI=1 将功能使能）

• 扩展串口：

扩展串口 AUX_UART 从硬件上的电器特性来说与主串口一样（但是不能支持休眠唤醒功能）。但是 AT 指令不能直接操控扩展串口，仅仅用于特定应用，比如外接 GNSS 定位模块，AT 指令中封装的定位指令，只能通过扩展串口与 GNSS 模块通信。对于 openCPU 二次开发应用来说，扩展串口则没有这个限制，可以当作通用串口来使用。

• 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 961200 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，即使配置为一般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：

主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。

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：

Air780EPM 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 电平串口同样有判别门限，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 Air780EPM 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，会影响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： 1. 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。

1. 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。

2. 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(Air780EPM所有AGPIO共享5mA最大驱动电流)。

3. 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

4. 电平转换芯片方案：

电平转换芯片，对成本不敏感的话，优先考虑用电平转换芯片，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。