用单个UART实现两个接口的方法

来源：analog 发布时间：2024-01-16

摘要： RS-232和IrDA接口增加了现代电子设备的便利性，IrDA是一种标准化的无线红外数据通信方法。现代产品通常支持RS-232和IrDA，满足传统要求。本应用笔记描述了用单个UART实现两个接口的方法。

术语数据通信接口是不明确的，但它可以分解成三个容易理解的层:物理层定义电气特性和硬件通信速度，协议层定义数据格式，应用层使用这种数据格式在给定设备中执行任务。例如，IrDA中的应用层IrTran-P用于数码相机和其他成像设备中传输图像。

RS-232只包含物理层，但IrDA包含所有三层(物理层、协议层和应用程序层)。IrDA包括几个不同的物理层:SIR (115kbps)、MIR (1Mbps)、FIR (4Mbps)和VFIR (16Mbps)。由于RS-232和IrDA SIR使用相同的数据帧(通常称为UART)，因此本文仅考虑RS-232和IrDA SIR物理层。

因为RS-232(直到最近)已经包含在几乎每台计算机在过去的35年，它是最广泛使用的物理层在异步串行通信。大多数个人计算机正在用通用串行总线(USB)取代RS-232，但是RS-232在网络设备、工业控制设备和销售点设备中仍然很常见(表1)。

表1 对TIA/EIA-232-F物理层重要的规范。
规范	最低	最大
每条数据线的发射机数量		1 TX
每条数据线的接收器数量		1的处方
电缆长度		C & lt;2500 pf
数据速率		20 kb / s *
负载驱动器输出范围(0V偏移)	±5伏	±15 v
最大驱动器短路电流		100毫安
TX负载电阻	3 k欧姆	7 k欧姆
最大回转速率		& lt; 30 v /美国
RX输入范围	-25 v	+ 25 v
输入灵敏度	3 v	+ 3 v
输入电阻	3 k欧姆	7 k欧姆
*尽管有此规范，一些部件支持高达1Mbit/sec的数据速率。

红外数据协会(IrDA)成立于1993年，其目标是定义一个三层接口，允许红外设备之间的通信。IrDA SIR成立于1994年，此后不久，微软在Windows 95中增加了对IrDA的支持。IrDA现在可用于笔记本电脑、手机、数码相机、个人数字助理(pda)和寻呼机等设备。表2列出了IrDA SIR物理层的一些重要规格。

表2 IrDA SIR物理层重要规格。
规范	最低	最大
传输
峰值波长	850海里	900海里
角范围内强度	40 mw /老	500 mw /老
半张角	15°±	±30°
数据速率		115.2 kbps
脉冲持续时间@ 2.4kbps	1.41我们	88.55我们
脉冲持续时间@ 115.2kbps	1.41我们	2.23我们
上升和下降时间		600纳秒
收到
角范围内的辐照度	4威斯康辛大学/厘米(2)	500 mw /厘米(2)
半张角	15°±
接收延迟		10毫秒

传统方法

在只有一个UART的系统中实现IrDA和RS-232通常需要四个ic:双SPDT开关，编码器/解码器(ENDEC)， RS-232收发器和IR收发器(图1)。表3建议适用于最终电路的ic。

图1所示这种传统的单uart方法使用四个ic实现IrDA和RS-232。

表3 用于4芯片方法的ic。
双SPDT开关
马克西姆集成	MAX4567
ENDEC
安捷伦科技公司	hsdl - 7000
德州仪器公司	TIR1000
RS232收发器
马克西姆集成	Max232, max232a ， max3232e *
红外收发器
马克西姆集成	MAX3120
改进规格。 *其他改进的规格。

开关由µP或µC的通用输出控制，并指导发送(TX)和接收(RX)信号到相应的收发器。为了满足IrDA SIR操作的标准，TX信号必须经过ENDEC的编码器部分，该编码器部分将传统的UART NRZ信号压缩为红外收发器所需的单个RZ脉冲(图2-3)。RX信号需要相反的处理，因此从红外收发器路由到ENDEC的解码器部分。解码器将单脉冲拉伸成可被UART识别的传统NRZ信号。然后，红外收发器只发送和接收红外光谱中的信息。

图2。在编码器(脉冲压缩器)之前的UART帧。

图3。一个红外帧后的编码器(脉冲压缩器)。

更直接的是RS-232操作，其中开关引导TX和RX信号进出RS-232收发器。由于RS-232收发器不需要ENDEC，因此它们可以直接接收来自UART的TTL/CMOS信号。RS-232收发器只不过是一个电平转换器，其中TTL/CMOS电平被反转，然后使用内部电荷泵转换为大于+5V和小于-5V的电平。

替代方法

图1的一个流行替代方案消除了开关。这种方法也在一个uart系统中实现了IrDA和RS-232，只需要三个ic:编码器/解码器(ENDEC)， RS-232收发器和IR收发器。用于IR和RS-232收发器的TX线连接在一起，从而消除了对交换机的需要。类似的连接适用于两个收发器的RX线。

公共TX线同时向IR和RS-232发送器发送数据，但是同时激活两个发送器会浪费功率，并且在应用中很少需要。许多设计人员试图通过电子方式从未使用的收发器中移除电源来解决问题，但这种安排是无效的，因为未使用的收发器仍然通过内部保护二极管由发射器输入线上的电压供电。因此，替代方法需要仔细选择两个发射机，使其不像传统方法那样万无一失。因此，您应该确保图4中的IR和RS-232收发器具有无需移除电源即可启用的关机功能(图4)。表4列出了适用于该电路的ic。

图4 这种可选的单uart方法使用三个ic实现IrDA和RS-232。

表4 用于替代3芯片方法的ic。
ENDEC
安捷伦科技公司	hsdl - 7000
德州仪器公司	TIR1000
RS232收发器
马克西姆集成	MAX3222
红外收发器
马克西姆集成	MAX3120

更好的方法

在只有一个UART的系统中，不再需要三个或四个ic来实现IrDA和RS-232。相反，图1的传统电路现在可以用单个IC实现(图5)。该IC (MAX3130)在单个28引脚SSOP封装中包含四个必要的功能。应用于active-low IRMODE引脚的逻辑信号控制双SPDT类型的内部开关。开关指示信号到/从RS-232收发器时高，和到/从IR收发器时低。内部ENDEC在UART的BAUDOUT信号提供的BAUD16时钟的帮助下压缩和拉伸这些信号。独立的RS-232和IR关闭电路延长了便携式应用中的电池寿命，在不使用时关闭部分IC。MAX3130不仅相当于图1的4 ic电路，因为它还包括边缘检测电路，用于监视未使用接口上的活动。

图5 一个更好的单uart方法实现IrDA和RS-232只使用一个IC。

其他常见问题的改进解决方案

今天的许多微处理器和微控制器(微处理器和微控制器)包括多个内部uart，如果系统处理器中有两个uart可用，则不需要双SPDT开关。对于这样的系统，MAX3131将ENDEC, IR收发器和RS-232收发器与单独的关闭电路(无开关)集成在单个28引脚SSOP封装中(图6)。该方法不需要µP I/O引脚，因为它不包括要控制的开关。

图6 一个更好的双uart方法实现IrDA和RS-232只使用一个IC。

一些µc内部的UART无法提供与行业标准16550 UART产生的BAUDOUT信号等效的信号。(BAUDOUT信号只是一个比所选波特率快16倍的时钟。)所有endec在某些时候都需要这个Baud16时钟，并且为9600波特以外的速率创建这样的时钟并不是一项简单的任务。首先，在任何通信之前必须存在Baud16时钟，并且第一次通信是在9600波特。此时，两个连接的IrDA系统就每个系统支持的最快数据速率达成一致。然后必须相应地调整(增加)Baud16时钟，以更快和当前的波特率帧所有新通信。你不能简单地用一些触发器和跳线来分解晶体振荡器信号;系统必须通过软件控制Baud16时钟。

图7显示了一种配置MAX3100和现有SPI 端口的方法，这样只需使用一个额外的I/O引脚(active-low CS2)，就可以通过软件修改Baud16时钟。作为世界上最小的带有SPI前端的UART, MAX3100还可以通过SPI端口生成软件可调的Baud16时钟。它看起来很奇怪，但时钟实际上是从MAX3100的低活动RTS引脚出现的。图7显示了MAX3100向MAX3131发送一个Baud16时钟，但任何其他需要Baud16时钟的ENDEC IC(包括MAX3130)也可以。

图7 该MAX3100电路只需要一个额外的µC I/O来实现软件可调的BAUD16时钟发生器。

有些应用需要为每个通信接口提供单独的UART，但由于成本或现有的设计限制，设计人员可能不得不满足于只有一个内部UART的µP。这种情况会产生一个昂贵而复杂的系统。更糟糕的是，如果μ P上没有8个I/O引脚可用，则选项很快就会耗尽，无法连接到第二个并行硬件UART。图8显示了世界上最小的硬件UART (MAX3100)如何通过SPI端口连接到1P或1C来提供第二个UART。

图8 世界上最小的硬件UART (MAX3100)通过SPI端口与微处理器(或微控制器)接口，提供第二个UART。

结论

电子设备通常包含多个数据通信接口，在已经支持RS-232的设备上添加IrDA SIR可以增加便利性，而不会增加太多成本。另一方面，将RS-232添加到仅支持IrDA的系统中使该系统与其他类型的设备兼容。此外，已经支持RS-232和IrDA的旧系统有很大的升级前景，以减少关键板空间和成本。因此，了解这些模块如何组合在一起以及您的选择是什么，在将RS-232和IrDA SIR设计成单个设备时非常有帮助。