在工業自動化時代，高效串口通信是提升效率的關鍵。Air8000多串口解決方案簡化了連接，但硬件設計中的細節決定成敗。聚焦關鍵注意點，從接口配置到信號調理，揭示如何通過設計優化，實現穩定、低延遲的串口通信。

本文主要從硬件設計的角度，分享串口設計中的一些關鍵注意點，軟件開發方面不做深入探討。

一、串口相關管腳

Air8000支持4個串口，分別是：

主串口：UART1；

擴展串口：UART3、UART11、UART12；

對應的管腳如下：

其中UART3可以復用，可使用pins_Air8000.json進行復用。

例如：需要38、39管腳復用為UART3，可以如下配置。

Air8000系列管腳最新映射表下載：

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用于模塊的數據傳輸和外部通信及模塊控制，特性包括：

TTL電平串口，電平為3.3V；

待機狀態下為高電平；

支持模組休眠喚醒功能（LPUART)。

Air8000模組在休眠時，所有串口均為關閉狀態，只有主串口支持接收串口數據喚醒模組。

注意：在非9600的其他波特率下，進行串口收發數據喚醒時，會丟失前幾個字節。

2.2 擴展串口

擴展串口UART3、UART11、UART12，電氣特性與主串口相同，但不支持休眠喚醒功能。

2.3 注意事項

UART管腳均可作為485通信，但是需要注意如下區別。

1）串口ID小于10時：485的控制IO需要選用GPIO ID需要小于128；

2）串口ID大于10時：485控制IO需要選用GPIO ID大于或者等于128。

三、硬件設計指導

3.1 串口的連接方式

模組串口遵循MODEM串口標準，DTR、DSR、CTS、RTS信號采用直連方式（不要交叉連接），與標準RS232連接方式不同。

在物聯網串口應用中，通常保留TX/RX加流控管腳的5線串口形式，但模組的CTS管腳起標準RTS功能，RTS管腳起標準CTS功能。

流控管腳也可省略，形成3線串口(RX/TX/GND)。 主串口的型號命名很容易讓人聯想到RS232標準的DB9接口，其實不然，模組的串口連接方式與標準RS232連接方式有所不同。

標準RS232串口連接方式如下圖所示，特點是交叉連接：

而模組串口遵循的是早期賀氏(HAYES)公司制定的MODEM串口標準，在這個標準下，DTR/DSR/CTS/RTS信號的功能有所不同。

MODEM串口標準標準下，DTR/DSR/CTS/RTS采用的是直連方式。

如下圖示：

在逐漸的演變過程中，DCD/DSR/RI逐漸演變為其他的獨立功能，在物聯網串口應用中僅保留T/RX加流控管腳的5線串口的形式。

但是CTS/RTS的命名規則保留了下來，雖然CTS/RTS采用直連的方式，但是實際上模組的CTS管腳起到的功能是標準RTS功能；模組RTS管腳起到的功能是標準CTS功能。

5線串口連接方式如下：

甚至流控管腳也不是必須，就變成了3線串口：

3.2 串口的電平轉換

Air8000的串口是TTL電平串口，TTL電平串口會有輸入輸出判別門限，如下圖：

同時，外接MCU或者外設的TTL電平串口同樣有判別門限。

一般來說，TTL電平的判別門限高低取決于IO供電電平VDD的高低。如果串口雙方的判別門限差別較大，一方的輸出高電平落在對方的高電平判別門限下，就容易出現誤判的現象。

在串口雙方電平不一致的情況，就要增加電平轉換電路來轉換通信電平。

1）雙方模組串口電平差別不大的情況

例如，模組串口電平3.3V，MCU串口電平3.0V。按照上圖判別門限，模組的輸入高判別門限為：

0.7x3.3=2.31V

MCU串口高電平輸出為3V，高于模組的輸入高判別門限，能夠穩定判斷。這種情況下即使MCU與模組的電平不一致，直接連接也不會造成通信問題。

通常這種情況下，無需電平轉換，只需要在串口TX/RX信號線上串聯限流電阻即可。

限流電阻用于減小串口電平不匹配造成的漏電，通常按經驗串聯1K電阻即可，注意串聯電阻不宜過大，會影響串口信號的上升下降時間，從而影響串口信號質量。

需要特別注意：

不要只看判別門限，還要考慮串口的耐壓，即使落在判別門限內，但是一方高電平高于對方的IO耐壓值的情況下就不能要串聯電阻的方式，還是老老實實加串口電平轉換。

一般來說，雙方的電平差不宜超過0.5V。

2）晶體管的電平轉方案

在串口波特率不高的情況下（如115200），可以通過NPN晶體管的方式進行電平轉換。

優點：成本低；

劣勢：低電平下會被三極管的飽和管壓降抬高（通常在0.1V左右，不影響通信）；開關速度不夠，超過460800波特率時不建議用這種方式。

參考設計及注意事項如下：

3）電平轉換芯片方案

對成本不敏感的話，優先考慮用電平轉換芯片，無論速度，可靠性都很完美。

對于設計方面只要注意芯片選型，同時模組端參考電平注意用AGPIO3，其他的參考具體芯片參考設計即可，沒有太多注意事項。

考慮到電平轉換芯片價格與通道數量成正相關，也可以采用TX/RX用雙通道電平轉換芯片，其他流控信號用晶體管或者分壓方式來做電平轉換，兼顧性能和成本。

今天的內容就分享到這里了~

審核編輯 黃宇