Air8000 串口电路设计说明

1. 概述

串口重要性：串口是 Air8000 模块最主要的通信接口，承担着控制、数据传输、外设通信等重要功能，是 Cat.1 应用场景中不可或缺的部分。
串口特性：Air8000 模块的串口特性与普通 MCU 串口有所不同，请务必仔细阅读本说明。
串口用途：Air8000 不支持 AT 指令操作，其 3个 UART(UART1、UART2、UART3)仅用于 LuatOS 二次开发，UART0为调试串口。

2. 串口相关管脚

Air8000 支持 4 个串口，分别是主串口 UART1(MAIN_UART), UART2,UART3(AUX_UART)和UART0, 对应的管脚如下：

管脚编号	管脚名称	描述
主串口UART1（MAIN_UART)
17	MAIN_RXD	串口数据接收
16	MAIN_TXD	串口数据发射
UART2
92	GPIO10	串口数据接收
89	GPIO11	串口数据发射
调试串口UART0
38	DBG_RXD	调试串口输入
39	DBG_TXD	调试串口输出

UART3 可以复用如下方法

管脚编号	管脚名称	描述
复用方法1
39	SPI1_MISO	串口数据接收
38	SPI1_SCLK	串口数据发射
复用方法2
25	LCD_CLK	串口数据接收
26	LCD_CS	串口数据发射

可使用pins_Air8000.json 进行复用：例如需要38,39 管脚复用为uart3，可以如下配置:

 {
    " pins" : [
      // 485 功能使用的引脚
       [38, "UART3_TX", " PIN38脚,做UART3_TX用, 用于控制XXX"],
       [39, "UART3_RX", " PIN39脚,做UART3_RX用, 用于控制XXX"],
    ]
 }

主串口 UART1：用于模块的数据传输和外部通信及模块控制，特性包括：
TTL 电平串口，电平为 3.3V
待机状态下为高电平。
只有主串口支持模块休眠唤醒功能（LPUART)。Air8000 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。
- 待机状态下：高电平。
扩展串口 UART2，UART3：电气特性与主串口相同，但不支持休眠唤醒功能。
调试串口 UART0：用于输出模块运行日志，固定波特率 961200 不可更改，不建议连接外设，但需预留测试点。其日志数据有专门协议，普通串口工具抓取会显示乱码，需使用指定的专用调试工具。在 openCPU 二次开发应用中可配置为一般串口，但开机前会输出调试日志，可能会对外接外设造成误动作，因此不建议在非调试情况下使用。

3. 硬件设计指导

串口连接方式：
模块串口遵循 MODEM 串口标准，DTR、DSR、CTS、RTS 信号采用直连方式(不要交叉连接)，与标准 RS232 连接方式不同。
在物联网串口应用中，通常保留 TX/RX 加流控管脚的 5 线串口形式，但模块的 CTS 管脚起标准 RTS 功能，RTS 管脚起标准 CTS 功能。
流控管脚也可省略，形成 3 线串口(RX/TX/GND)。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：

串口电平转换： Air8000 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，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。

三极管的基极要用较低电平的一方参考电平来上拉，否则容易造成三级管不能完全截止。
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(Air8000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 CAN_STB，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
Air8000 的串口为 TTL 电平串口，存在输入输出判别门限，外接设备的 TTL 电平串口也有判别门限，若双方判别门限差别大，会导致通信误判，需增加电平转换电路。
电平差别不大时：如模块串口电平 3.0V，MCU 串口电平 3.3V，可直接连接，只需在 TX、RX 线上串联限流电阻(通常为 1K)，但要注意电平差不宜超过 0.5V，且要考虑串口耐压。
晶体管电平转换方案：在串口波特率不高(如 115200)时，可通过 NPN 晶体管进行电平转换，优点是成本低，但低电平会被抬高约 0.1V，且波特率超过 460800 时不建议使用。设计时要注意：
- 模块 RXD 上拉电源不能选择 VDD_EXT，VDD_EXT 休眠状态下既不是一直打开也不是一直关闭的特殊机制有可能造成 RX 电平变化进而唤醒 Air8000，同样的，TXD 上拉至 VDD_EXT 也有可能造成对端 MCU 无法进入休眠状态。
- 三极管基极要用较低电平一方的参考电平上拉。
- RXD 和 TXD 的上拉电阻在不影响信号质量的情况下尽量加大，以降低休眠功耗和 AGPIO 驱动负荷。
- 三极管选型无严格要求，通用的 3904NPN 三极管可满足需求。
电平转换芯片方案：若成本不敏感，优先考虑用电平转换芯片，性能和可靠性较好。设计时注意芯片选型，模块端参考电平用 CAN_STB。可采用 TX、RX 用双通道电平转换芯片，其他流控信号用电平转换芯片、晶体管或分压方式转换，兼顾性能和成本。推荐的电平转换芯片有：
- TXS0102/TXS0104/TXS0108 系列(TI 品牌)
- RS0102/RS0104/RS0108 系列(润石品牌)
- SGM4553(圣邦威品牌)

4. 总结

串口虽原理简单、速率低、设计不复杂，但在 Cat.1 通信系统尤其是低功耗物联网应用中，串口设计涉及休眠和功耗，需足够重视。