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UART电路介绍

一、概述

串口作为 Air8101 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；基本上绝大部分的应用场景都会用到串口功能；

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，软件开发方面不做深入探讨。

二、相关管脚

和串口有关的管脚参考下图方框标注的几个引脚

UART0

管脚编号：26和27

UART0 是 Air8101 烧录和抓取日志的接口，不能给用户做为通用串口连接外设使用；

UART0 TXD需要预留一颗电阻到地，正常出货不贴片，认证时需要贴1K电阻，这样上电开机就会进入测试模式，方便认证测试；

使用UART0烧录固件时，PC上的Luatools连接好Air8101 UART0之后，点击Luatools上的下载按钮，然后立即通过以下几种方式重启（不仅仅局限于以下几种）Air8101就可以烧录：

  1. CEN引脚按键拉低再立即释放 或者 CEN引脚对地短接再立即释放；

  2. 软件重启（Luatools上 点击重启模块 按钮）；

  3. 直接硬件断电再上电（这种重启方式，如果会导致USB转串口芯片掉电再上电，则不能使用这种方式）；

UART1

可以给用户做为通用串口连接外设使用；

管脚编号：11和12；

注意这一组管脚存在复用功能，除了可以做为UART1来使用之外，还可以用做GPIO、I2C、ADC使用；

项目设计时，如果用做了其他复用功能，就不能做为UART1使用；

UART2

可以给用户做为通用串口连接外设使用；

Air8101有两组管脚可以做为UART2：

第一组的管脚编号为：3和73；注意这一组管脚存在复用功能，除了可以做为UART2来使用之外，还可以用做GPIO、DVP CAMERA使用；项目设计时，如果用做了其他复用功能，就不能做为UART2使用；

第二组的管脚编号为：35和48；注意这一组管脚存在复用功能，除了可以做为UART2来使用之外，还可以用做GPIO、RGB LCD使用；项目设计时，如果用做了其他复用功能，就不能做为UART2使用；

这两组管脚同时只能最多一组配置为UART2使用，不能两组同时配置为UART2来使用；

三、硬件设计指导

三线连接方式

Air8101 串口使用三线制的串口连接方式，不支持流控；

内部的TXD和RXD并未交叉连接，连接外设时需要按照下图连接方式交叉连接。

电平转换

Air8101 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 VIO 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，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，Air8101串口电平 3.1V， 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 0.7x3.1=2.17V，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，只需要在串口 TXD和 RXD 信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，注意串联电阻不宜过大，会影响串口信号的上升下降时间，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：

设计注意：

  1. 三极管的基极要用较低电平的一方参考电平来上拉，否则容易找出三极管不能完全截止。
  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。
  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

这种方式的优缺点如下：

  1. 优点：成本低；

  2. 缺点：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；

  3. 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Air8101端参考电平注意用 VDD_GPIO，MCU等其他外设端参考具体芯片参考设计即可；

如下图所示：

考虑到电平转换芯片价格与通道数量成正相关，同时Air8101的串口不支持流控，所以可以采用仅支持TXD和RXD的双通道电平转换芯片；

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。