高效串口通信的秘密：Air8000硬件设计中的关键注意点

在工业自动化时代，高效串口通信是提升效率的关键。Air8000多串口解决方案简化了连接，但硬件设计中的细节决定成败。聚焦关键注意点，从接口配置到信号调理，揭示如何通过设计优化，实现稳定、低延迟的串口通信。

本文主要从硬件设计的角度，分享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。

一、串口相关管脚

Air8000支持4个串口，分别是：

主串口：UART1；

扩展串口：UART3、UART11、UART12；

对应的管脚如下：

其中UART3可以复用，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。

Air8000系列管脚最新映射表下载：

https://docs.openluat.com/air8000/luatos/hardware/design/uart/

二、串口功能特性

2.1 主串口特性

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；

支持模组休眠唤醒功能（LPUART)。

Air8000模组在休眠时，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组。

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。

2.2 扩展串口

扩展串口UART3、UART11、UART12，电气特性与主串口相同，但不支持休眠唤醒功能。

2.3 注意事项

UART管脚均可作为485通信，但是需要注意如下区别。

1）串口ID小于10时：485的控制IO需要选用GPIO ID需要小于128；

2）串口ID大于10时：485控制IO需要选用GPIO ID大于或者等于128。

三、硬件设计指导

3.1 串口的连接方式

模组串口遵循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，但模组的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，模组的串口连接方式与标准RS232连接方式有所不同。

标准RS232串口连接方式如下图所示，特点是交叉连接：

而模组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。

如下图示：

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，但是实际上模组的CTS管脚起到的功能是标准RTS功能；模组RTS管脚起到的功能是标准CTS功能。

5线串口连接方式如下：

甚至流控管脚也不是必须，就变成了3线串口：

3.2 串口的电平转换

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。

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。

1）双方模组串口电平差别不大的情况

例如，模组串口电平3.3V，MCU串口电平3.0V。按照上图判别门限，模组的输入高判别门限为：

0.7x3.3=2.31V

MCU串口高电平输出为3V，高于模组的输入高判别门限，能够稳定判断。这种情况下即使MCU与模组的电平不一致，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TX/RX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电阻即可，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。

需要特别注意：

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。

2）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。

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。

参考设计及注意事项如下：

3）电平转换芯片方案

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，同时模组端参考电平注意用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。

今天的内容就分享到这里了~

审核编辑 黄宇