摘要：文章對多種協(xié)議串行通信進(jìn)行了分析與討論,給合Linear公司生產(chǎn)的多協(xié)議串口芯片,針對傳統(tǒng)串口通信實(shí)現(xiàn)中的問題以及實(shí)際的廣域網(wǎng)串行通信的需求,提出了一種多協(xié)議串行接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：多協(xié)議串口通信;通信協(xié)議; 收發(fā)器;連接器; 多協(xié)議串口芯片 LTC1546/LTC1544
隨著通信網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,越來越多的互連網(wǎng)設(shè)備（如路由器、開關(guān)、網(wǎng)關(guān)、存取裝置）中的串行接口在廣域網(wǎng)（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）中被設(shè)計(jì)成能夠支持多種物理接口協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)。廣域網(wǎng)串行口協(xié)議包括ＲＳ－２３２,ＲＳ－４４９,ＥＩＡ－５３０,Ｖ．３５ ,Ｖ．３６以及Ｘ．２１等。圖１所示是一個簡單的串行通信接口示意圖。由圖可知,實(shí)現(xiàn)多協(xié)議串口通信的關(guān)鍵是將連接器送來的不同傳輸方式平衡、非平衡和不同電氣信號通過收發(fā)器轉(zhuǎn)換為終端能夠識別并處理的、具有ＴＴＬ電平的信號。
１ 傳統(tǒng)多協(xié)議通信的特點(diǎn)和問題
１．１ “子板”方式
廣域網(wǎng)串口應(yīng)用中的通用實(shí)現(xiàn)方法是為所需的每一種物理協(xié)議提供一個獨(dú)立的子板。一個支持ＥＩＡ－２３２,ＥＩＡ－４４９及Ｖ．３５協(xié)議的系統(tǒng),通常需要三個獨(dú)立的子板以及三個不同的連接器。這種方法由于每種協(xié)議要求配置一塊子板,因此系統(tǒng)需要對ＰＣＢ子板、收發(fā)器芯片、連接器等進(jìn)行管理,這樣既浪費(fèi)資源,又會使管理工作復(fù)雜化。
１．２ 通用連接器方式
為解決“子板”方式的缺點(diǎn),可使用一塊母板及通用連接器。一個母板上有多種收發(fā)器芯片,可以滿足多串口協(xié)議的要求,并可共用一些通用器件,同時可減少資源的浪費(fèi)。在配置中,應(yīng)注意因連接器的管腳較少而帶來的問題,較好的辦法是根據(jù)信號而不是根據(jù)協(xié)議來分配管腳,即給每一個信號分配一個通用管腳,而不管其物理協(xié)議如何定義。如對ＥＩＡ－２３２,ＥＩＡ－４４９,ＥＩＡ－５３０,Ｖ．３５和Ｖ．３６來說,其ＴｘＤ信號可連至連接器相同的管腳。即ＳＤａ信號連接到管腳２,ＳＤｂ信號連接到管腳１４。然后利用這對管腳來描述所有協(xié)議的發(fā)送信號ＴｘＤ。
這種方法同樣也會帶來一個問題,即所有收發(fā)器的Ｉ／Ｏ線至通用連接器的管腳必須彼此共用。例如,一個Ｖ．２８驅(qū)動器芯片中的發(fā)送數(shù)據(jù)信號線的接連接器ＤＢ－２５的管腳２;同時,一個Ｖ．１１驅(qū)動器芯片中的發(fā)送數(shù)據(jù)信號線要接至連接器的管腳２和１４;而Ｖ．３５驅(qū)動器芯片中發(fā)送數(shù)據(jù)信號線也會接至連接器的管腳２和１４。這樣,通用連接器的管腳２將同時接有三根信號線,管腳１４接有兩根信號線。這樣,在這一配置中,所有的驅(qū)動器都必須具有三態(tài)特性,以禁止不必要的輸出。若收發(fā)器沒有三態(tài)特性,則需要使用一個多路復(fù)用器來選擇相應(yīng)的輸出端。由此帶來的另一個問題是收發(fā)器在禁止使用時會產(chǎn)生漏電電流。如果選擇了Ｖ．２８協(xié)議,其輸出電壓理論值為１５Ｖ。此時對于Ｖ．１１協(xié)議的驅(qū)動器會被禁用,而處于三態(tài)時,其輸出漏電電壓就必須足夠低,才能使得連在同一連接器管腳的Ｖ．２８協(xié)議的驅(qū)動器信號不受影響。如果在發(fā)送器與接收器之間有隔斷開關(guān),則開關(guān)也要考慮漏電情況。
１．３ 串口的ＤＴＥ／ＤＣＥ模式切換
ＤＴＥ／ＤＣＥ的切換可通過選擇不同的連接器轉(zhuǎn)換電纜來實(shí)現(xiàn),這樣,在實(shí)現(xiàn)ＤＴＥ／ＤＣＥ轉(zhuǎn)換時可最大程度地減小收發(fā)器的復(fù)雜性,但缺點(diǎn)是需要更換電纜,尤其是設(shè)備放置位置不便或ＤＴＥ／ＤＣＥ需要頻繁切換時這一點(diǎn)尤為突出。
如果保持傳輸電纜不變,則可將收發(fā)器配置為兩套以分別支持ＤＴＥ、ＤＣＥ方式。而將ＤＴＥ收發(fā)器的驅(qū)動器輸出與ＤＣＥ收發(fā)器的接收器輸入相連,而將接收器輸入端與ＤＣＥ收發(fā)器的驅(qū)動器輸出相連。為了控制ＤＴＥ或ＤＣＥ方式,驅(qū)動器或接收器的輸出必須為三態(tài)。當(dāng)選擇為ＤＴＥ方式時,ＤＣＥ芯片禁止,其驅(qū)動器和接收器處于三態(tài),反之亦然。
該方法雖然解決了對電纜的頻繁更換問題,但由于多用了一套收發(fā)器而使得設(shè)計(jì)成本大為提高,且串口板的體積也大了很多。
２ 多協(xié)議串口通信的實(shí)現(xiàn)原理
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,針對某種協(xié)議通常應(yīng)選擇相應(yīng)的收發(fā)芯片,如對于ＲＳ－２３２協(xié)議,常用ＤＳ－１４８８／ＤＳ－１４８９、ＭＡＸ２３２或ＳＰ２０８等收發(fā)器芯片;而對于ＲＳ－４４９協(xié)議,則常使用ＳＮ７５１７９Ｂ、ＭＡＸ４８８、ＭＡＸ４９０等收發(fā)器芯片。當(dāng)同時使用ＲＳ－２３２、ＲＳ－４２２和Ｖ．３５協(xié)議時,就需要多個收發(fā)器芯片來支持不同的協(xié)議。
現(xiàn)在,一些收發(fā)器的生產(chǎn)廠商研制出了多協(xié)議收發(fā)器芯片。Ｓｉｐｅｘ是第一家生產(chǎn)出ＲＳ－２３２／ ＲＳ－４２２軟件可選擇協(xié)議芯片ＳＰ３０１的公司。這種芯片可將ＲＳ－２３２和ＲＳ－４２２收發(fā)器的電氣特性綜合到一個芯片中實(shí)現(xiàn)。其中ＳＰ５０Ｘ系列產(chǎn)品最多可支持８種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其它生產(chǎn)廠家如Ｌｉｎｅａｒ公司生產(chǎn)的ＬＴＣ１５４ｘ系列、ＬＴＣ２８４ｘ系列芯片也具有以上功能。用戶可根據(jù)自己的需要選擇適當(dāng)?shù)男酒?/p>
圖２為采用分立的收發(fā)器芯片與采用一片多協(xié)議收發(fā)器芯片實(shí)現(xiàn)多協(xié)議串口通信的通信卡。從圖可知,前者實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者,具體的性能比較如表１所列。
表1 兩種方法實(shí)現(xiàn)串口通信的性能比較
| 分立器件板 | 綜合器件板 | |
| 供電電壓 | +5V,-5V,+12V,-12V | +5V |
| 所需收發(fā)器芯片數(shù) | 12 | 1 |
| 支持的物理層協(xié)議 | RS-232,RS-422,RS-449,EIA-530,V.35,V.36 | RS-232,RS-422,RS-449,RS-485,EIA-530,EIA-530A,V.35,V.36 |
| 協(xié)議選擇方式 | 跳線或開關(guān) | 軟件或硬件（通過內(nèi)部譯碼） |
| 串口板大小 | 除了15個收發(fā)器芯片外還需其它硬件支持 | 非常小 |
| 功耗 | 大約1W | 大約100mW～250mW |
除此之外,與分立收發(fā)器芯片相比,多協(xié)議收發(fā)器對驅(qū)動器使能控制和對輸出漏電電流的處理要容易得多。當(dāng)通過軟件或硬件方法選擇某一協(xié)議時,驅(qū)動器和接收器的電氣參數(shù)將調(diào)整至適當(dāng)?shù)拇笮?電路內(nèi)部將自動控制驅(qū)動器的輸出電平、接收器的輸入門限、驅(qū)動器和接收器的阻抗值以及每一物理層協(xié)議的常用模式范圍。
另外,由于外部網(wǎng)絡(luò)終端對Ｖ．３５的需求,使得與Ｖ．３５收發(fā)器的連接不能象其它協(xié)議那么簡單。當(dāng)使用分立收發(fā)器芯片時,常常通過采用昂貴的繼電器開關(guān)電阻在選擇其它協(xié)議接口時將Ｖ．３５網(wǎng)絡(luò)終端斷開,或者要求用戶每選擇一個新的接口標(biāo)準(zhǔn)就改變一次終端模塊,這樣既浪費(fèi)資源又會使接口電路變得復(fù)雜,因而不是一種理想的實(shí)現(xiàn)方法。而多協(xié)議串口芯片則自動提供適當(dāng)?shù)慕K端和片上開關(guān)來符合Ｖ．１０、Ｖ．１１、Ｖ．２８和Ｖ．３５電氣協(xié)議,從而解決了電纜終端轉(zhuǎn)換問題。
３ 基于ＬＴＣ１５４６／４４的多協(xié)議通信
為了說明多協(xié)議串口芯片的工作原理,現(xiàn)以Ｌｉｎｅａｒ公司的ＬＴＣ１５４６／１５４４芯片為例進(jìn)行分析。
３．１ ＬＴＣ１５４６／ＬＴＣ１５４４的性能
ＬＴＣ１５４６芯片是一個３驅(qū)動器／３接收器的收發(fā)器,其主要特點(diǎn)如下：
● 帶有軟件可選的收發(fā)器可支持ＲＳ２３２、ＲＳ４４９、ＥＩＡ５３０、ＥＩＡ５３０Ａ、Ｖ．３５、Ｖ．３６和Ｘ．２１協(xié)議
● 可提供片上電纜終端
● 與ＬＴＣ１５４３引腳兼容
● 與ＬＴＣ１５４４配合可完成完整的ＤＴＥ或ＤＣＥ
● 工作在５Ｖ單電源
● 占位面積小。
ＬＴＣ１５４４芯片是一個４驅(qū)動器／４接收器的收發(fā)器,其主要特點(diǎn)有：
● 軟件可選的收發(fā)器支持ＲＳ２３２、ＲＳ４４９、ＥＩＡ５３０、ＥＩＡ５３０Ａ、Ｖ．３５、Ｖ．３６和Ｘ．２１協(xié)議
● 采用ＬＴＣ１３４４Ａ作為軟件可選的電纜終端
● 采用ＬＴＣ１５４３、ＬＴＣ１５４４Ａ或ＬＴＣ１５４６可實(shí)現(xiàn)完整的ＤＴＥ或ＤＣＥ端口
● 與ＬＴＣ１５４３同樣工作于５Ｖ單電源。
這兩種芯片均采用２８引線ＳＳＯＰ表面貼封裝,圖３所示為其引腳排列。
由ＬＴＣ１５４６／ ＬＴＣ１５４４可組成一套完整的軟件可選擇ＤＴＥ或ＤＣＥ接口,以應(yīng)用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、信息業(yè)務(wù)單元ＣＳＵ和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)單元(ＤＳＵ)或數(shù)據(jù)路由器中,它支持多種協(xié)議,電纜終端可在片上提供,因此不再需要單獨(dú)的終端設(shè)計(jì)。其中,ＬＴＣ１５４６每個端口的一半用來產(chǎn)生和適當(dāng)終止時鐘和數(shù)據(jù)信號。ＬＴＣ１５４４則用來產(chǎn)生控制信號及本地環(huán)路返回信號(Ｌｏｃａｌ Ｌｏｏｐ－ｂａｃｋ,ＬＬ)。接口協(xié)議通過模式選擇引腳Ｍ０、Ｍ１和Ｍ２來決定,具體選擇方式見表２。
表2 通信協(xié)議的模式選擇
