RS-232收發(fā)器的發(fā)展過程回顧

　　摘要：將RS-232收發(fā)器集成到RS-232設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)歷了20多年的歷史。本應(yīng)用筆記回顧了RS-232收發(fā)器的發(fā)展過程，對(duì)每一進(jìn)程的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及帶給用戶的益處進(jìn)行了詳細(xì)說明。以業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的Maxim器件為示例介紹RS-232收發(fā)器的演變。

　　引言

　　在過去的25年，為了滿足RS-232的發(fā)展對(duì)RS-232收發(fā)器進(jìn)行了多次修改。這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)包括：集成電荷泵、高ESD保護(hù)、自動(dòng)關(guān)斷(AutoShutdown?)、3.3V單電源供電、寬帶、電平轉(zhuǎn)換等，封裝尺寸也在不斷縮小。這些改進(jìn)增強(qiáng)了器件功能，有助于簡(jiǎn)化RS-232接口設(shè)計(jì)，減少器件數(shù)量，節(jié)省電路板面積。作為RS-232收發(fā)器產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者，Maxim Integrated Products推出了超過158種具有增值功能的RS-232器件，以滿足廣泛的應(yīng)用需求。

　　本應(yīng)用筆記回顧了RS-232收發(fā)器的關(guān)鍵功能，從其發(fā)展過程看，RS-232收發(fā)器的演變也反映了串口通信的發(fā)展需求。

　　背景

　　EIA/TIA-232-E標(biāo)準(zhǔn)于1962年發(fā)布，此后進(jìn)行了4次修改，以滿足不斷變化的串口通信要求。EIA/TIA-232-E標(biāo)準(zhǔn)的官方名稱是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)與數(shù)據(jù)電路端設(shè)備(CTE)之間串行交換二進(jìn)制數(shù)據(jù)的接口”，可以簡(jiǎn)單地定義為：主機(jī)系統(tǒng)(DTE)與外設(shè)系統(tǒng)(CTE)之間的串行數(shù)據(jù)通信(圖1)。

　　圖1. DTE至DCE系統(tǒng)框圖，電路采用MAX214收發(fā)器，顯示兩臺(tái)PC的DTE與DCE之間的連接。

　　應(yīng)用歷史

　　歷史上，RS-232串行通信常常用于連接計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備，比如：調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)、鍵盤、游戲手柄、鼠標(biāo)等。近幾年，大部分這類應(yīng)用已經(jīng)轉(zhuǎn)為通用串行總線(USB)等其它通信協(xié)議。

　　現(xiàn)在，RS-232串行通信主要用于GPS、POS、血糖儀、條形碼掃描儀、汽車數(shù)據(jù)通信設(shè)備、機(jī)頂盒、游戲機(jī)等需要低成本、低速率(低于1Mbps)的通信系統(tǒng)。

　　RS-232 IC的演進(jìn)過程

　　雖然RS-232收發(fā)器設(shè)計(jì)經(jīng)歷了重大演進(jìn)，但在當(dāng)前應(yīng)用中，工程師仍然使用RS-232協(xié)議。從圖2可以看出RS-232的創(chuàng)新進(jìn)程，我們將在后續(xù)章節(jié)逐一討論。

　　圖2. RS-232收發(fā)器的發(fā)展進(jìn)程

　　集成電荷泵

　　最初的RS-232 IC需要采用雙電源(+15V和-15V)供電，以支持RS-232發(fā)送器的正、負(fù)輸出擺幅(請(qǐng)參考圖3 ，通道1)。而大多數(shù)系統(tǒng)只提供一個(gè)電源，這就需要外部電荷泵對(duì)單電源進(jìn)行倍壓，然后再進(jìn)行反相。二十世紀(jì)八十年代，Maxim率先將電荷泵集成到RS-232收發(fā)器內(nèi)，創(chuàng)造出首款單電源供電的RS-232 IC MAX232。這是最早推出的能夠?qū)﹄娫措妷哼M(jìn)行倍壓、反相轉(zhuǎn)換，支持RS-232發(fā)送器電路的RS-232收發(fā)器。

　　圖3. RS-232信號(hào)，通道1為發(fā)送器輸出的總線信號(hào);通道2為接收器的邏輯輸出信號(hào)。

　　在隨后推出的產(chǎn)品中，例如MAX3232，EIA-232電平被定義成為5kΩ負(fù)載提供±5V驅(qū)動(dòng)。利用新的低壓差輸出技術(shù)，Maxim推出了內(nèi)置電荷泵、可提供穩(wěn)定的±5.5V輸出的RS-232收發(fā)器。這種設(shè)計(jì)允許收發(fā)器以最小的電源電流提供兼容于RS-232的輸出電平。

　　集成電荷泵如何工作呢? 第一個(gè)電荷泵的工作類似于倍壓器，如果忽略少量損耗，該電荷泵能夠把5V電源電壓轉(zhuǎn)換成+10V;第二個(gè)電荷泵配置成反相器，將+10V電壓轉(zhuǎn)成-10V，當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用會(huì)存在少量損耗。所產(chǎn)生的±10V電源用于RS-232發(fā)送器供電。

　　較高的ESD保護(hù)

　　任何RS-232器件都會(huì)在所有引腳提供靜電放電(ESD)保護(hù)能力(典型值為±2kV)，避免器件處理、裝配過程中受到ESD沖擊而損壞。由于手持設(shè)備和便攜設(shè)備采用RS-232串行通信，這類應(yīng)用需要更高的ESD保護(hù)能力，以承受人體模式的靜電沖擊(HBM，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求高于±2kV的ESD保護(hù))。Maxim提供的具有ESD保護(hù)的RS-232收發(fā)器均在RS-232發(fā)送器輸出和接收器輸入引腳集成了±15kV人體模式的ESD保護(hù)。有些器件，比如MAX3238E，在RS-232總線和CMOS引腳提供±15kV的ESD保護(hù)。

　　具有±15kV ESD保護(hù)的RS-232器件通常與標(biāo)準(zhǔn)的RS-232器件具有相同的引腳和功能，無需更改電路板布線即可替換器件。例如，MAX3232與MAX3232E具有相同引腳排列、封裝類型和功能。

　　低壓工作

　　從歷史上看，RS-232兼容器件最少需要兩路供電電壓，一路大于+5V，一路小于(更負(fù)) -5V，這兩路電源用于支持發(fā)送器提供至少±5V的輸出擺幅。圖4所示波形中，如果系統(tǒng)可以提供±12V電源，則可滿足這一輸出電平的需求。而目前絕大多數(shù)系統(tǒng)中都不具備±12V (或其它電壓)電源，為了采用單電源提供兩路供電電壓，Maxim公司開發(fā)了眾多內(nèi)置電源轉(zhuǎn)換器的收發(fā)器。

　　圖4. RS-232輸出電平擺幅

　　以下內(nèi)容討論了各種雙電源供電的特殊需求。

　　3.0V至5.5V單電源供電

　　雖然大部分RS-232系統(tǒng)采用5V單電源供電，但越來越多的應(yīng)用要求器件工作在3.3V電源。在3.3V單電源供電系統(tǒng)中，器件工作在3.3V非常重要，同時(shí)也要求RS-232器件能夠兼容于3V邏輯接口。采用類似于5V單電源供電器件的技術(shù)，Maxim推出了能夠工作在3.0V至5.5V單電源的收發(fā)器產(chǎn)品。

　　與單5V供電的RS-232收發(fā)器相同，采用3.0V至5.5V單電源供電的器件同樣集成了兩路電荷泵電源。這類RS-232器件由于采用了低壓差發(fā)送器，在采用低至±5.5V的電荷泵電源供電時(shí)能夠滿足±5V最小擺幅的要求。因此，這些器件工作在3V單電源時(shí)仍然兼容于RS-232規(guī)范。雖然這類產(chǎn)品可以工作在最低3.0V，但也可以工作在最高5.5V電壓，即同一器件可以支持3.3V和5V設(shè)計(jì)。圖5所示為MAX3232E工作在3.3V至5V的RS-232器件。

　　圖5. MAX3232E RS-232收發(fā)器內(nèi)置電荷泵，可以工作在3.3V至5V單電源。

　　2.7V至3.6V單電源供電

　　為了使器件在低于3.0V供電時(shí)仍然兼容于RS-232規(guī)范，電荷泵倍壓和反相將無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。圖6所示MAX3212采用基于電感的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生±6.5V，以滿足發(fā)送器的需求。利用buck轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌骷梢怨ぷ髟?.7V至3.6V單電源。

　　圖6. MAX3212集成buck轉(zhuǎn)換器，允許器件采用2.7V至3.6V單電源供電。

　　1.8V至4.25V單電源供電

　　MAX3218 (圖7所示)采用混合架構(gòu)解決供電問題，通過基于電感的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生+6.5V電壓，然后利用電荷泵產(chǎn)生-6.5V電壓。基于這種技術(shù)，器件可以工作在1.8V至4.25V單電源。如此寬的電源輸入范圍，使MAX3218能夠理想用于電池供電系統(tǒng)。

　　圖7. MAX3218采用基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器，并利用電荷泵產(chǎn)生反相電壓，器件可采用1.8V至4.25V單電源供電。

　　自動(dòng)關(guān)斷(AutoShutdown)

　　許多RS-232器件僅僅工作很短一段時(shí)間，例如：血糖儀，大部分時(shí)間不會(huì)使用RS-232端口。如果沒有使用RS-232端口，最好將RS-232器件置于低功耗關(guān)斷狀態(tài)以節(jié)省電能。

　　自動(dòng)關(guān)斷是系統(tǒng)的一個(gè)省電模式，如果監(jiān)測(cè)到RS-232接口沒有使用，則將RS-232器件置于低功耗關(guān)斷狀態(tài)。自動(dòng)關(guān)斷的重要意義在于它不需要處理器介入，無需軟件處理即可達(dá)到省電的目的。

　　自動(dòng)關(guān)斷監(jiān)控器檢測(cè)RS-232的接收器，如果連接到其它RS-232器件，接收器側(cè)可以檢測(cè)到低于-3V或高于+3V的有效RS-232信號(hào)。如果沒有任何連接，接收器電壓通常為地電位，如果自動(dòng)關(guān)斷功能檢測(cè)到所有接收器電壓處于-0.3V至+0.3V之間，持續(xù)時(shí)間達(dá)到30μs以上，則判斷為沒有連接有效的發(fā)送器，器件將自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，請(qǐng)參考圖8和圖10。如果任意一路接收器輸入超過+2.7V或低于-2.7V，收發(fā)器將自動(dòng)脫離低功耗狀態(tài)，請(qǐng)參考圖9和圖10。

　　圖8. 所有接收器輸入介于±0.3V以內(nèi)的時(shí)間超過30μs時(shí)，器件進(jìn)入自動(dòng)關(guān)斷模式。

　　圖9. 任何一路接收器的輸入超出±2.7V時(shí)，退出自動(dòng)關(guān)斷模式。

　　圖10. 進(jìn)入、退出自動(dòng)關(guān)斷的門限值

　　低功耗模式下，發(fā)送器和發(fā)送器使用的電荷泵也會(huì)關(guān)閉。由于接收器工作時(shí)消耗非常低的電流，接收器將始終保持有效工作狀態(tài)。由此，MAX3221的典型靜態(tài)電流可以從0.3mA降至1μA (最大值從1mA降至10μA)。需要注意的是，一旦在接收器上檢測(cè)到有效的RS-232電平時(shí)，器件需要100μs才能使發(fā)送器進(jìn)入有效工作狀態(tài)。MAX3221和MAX3243是具有自動(dòng)關(guān)斷功能的RS-232器件。

　　增強(qiáng)型自動(dòng)關(guān)斷(AutoShutdown Plus?)

　　類似于自動(dòng)關(guān)斷功能，增強(qiáng)型自動(dòng)關(guān)斷設(shè)計(jì)用于只要沒有使用RS-232器件即刻關(guān)斷整個(gè)器件，以節(jié)省功耗。如果在30s內(nèi)器件沒有有效信號(hào)，增強(qiáng)型自動(dòng)關(guān)斷將關(guān)斷器件。這種功能適用于發(fā)送器連接到RS-232端口，但沒有發(fā)送數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。

　　增強(qiáng)型自動(dòng)關(guān)斷需要關(guān)注兩種情況。

　　器件同時(shí)監(jiān)測(cè)接收器和發(fā)送器是否有效工作。

　　將無效的引腳連接到ForceOn和ForceOff時(shí)，器件的工作狀況類似于自動(dòng)關(guān)斷，如圖11所示。

　　圖11. 將ForceOn、ForceOff輸入連接到無效輸出，增強(qiáng)型自動(dòng)關(guān)斷器件的工作狀況將類似于自動(dòng)關(guān)斷器件。

　　MAX3224E和MAX3245E是具有增強(qiáng)型自動(dòng)關(guān)斷功能的RS-232器件。

　　MegaBaud?

　　對(duì)于需要寬帶、低輻射的應(yīng)用，MegaBaud RS-232器件不失為理想的解決方案。MegaBaud是Maxim推出的1Mbps、甚至更高速率的RS-232邏輯電平兼容的器件名稱。注意，這里采用了“兼容”，而非“滿足”，因?yàn)镸egaBaud功能實(shí)際上并不符合RS-232的限擺率要求。

　　在典型的RS-232應(yīng)用中，限擺率有利于降低輻射和反射，但也限制了最高數(shù)據(jù)速率。限制發(fā)送器的擺率，使其低于30V/μs。這一限制是為了最終將RS-232定義為一個(gè)簡(jiǎn)單的物理接口。如果沒有這個(gè)限制，則要注意輻射、傳輸線等問題的影響。盡管限擺率簡(jiǎn)化了物理連接，但也影響了可以達(dá)到的最高數(shù)據(jù)速率。

　　Maxim推出的MegaBaud器件在支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯麓_保RS-232標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，為了保證簡(jiǎn)單的物理連接，這些器件仍然具有限擺率特性，但擺率高于RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制(比如，MAX3237E的擺率限制在150V/μs)。

　　這些設(shè)計(jì)意味著什么呢? 嚴(yán)格意義上講，MegaBaud器件不滿足RS-232標(biāo)準(zhǔn)，如果把具有MegaBaud能力的器件插入普通的RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口，即使數(shù)據(jù)速率低至20kbps也不能保證正常運(yùn)行。而在實(shí)際應(yīng)用中，低數(shù)據(jù)速率下可以正常工作的器件，但當(dāng)工作在1Mbps速率時(shí)則完全無法正常工作。為了支持1Mbps的數(shù)據(jù)速率，電纜兩端的產(chǎn)品都需要采用MegaBaud器件。

　　有些MegaBaud器件帶有一個(gè)標(biāo)注為MBAUD的引腳，通過邏輯電平控制該引腳可以將器件配置為既可以工作在低于30V/μs的RS-232限擺率條件下，也可以工作在更高擺率的MegaBaud模式。如果連接到常規(guī)RS-232接口，器件可以工作在真正的RS-232標(biāo)準(zhǔn)模式。如果連接到另一個(gè)MegaBaud器件，則可支持1Mbps，甚至更高速率的數(shù)據(jù)傳輸。

　　VL引腳

　　在絕大多數(shù)現(xiàn)代應(yīng)用中，微控制器(μC)的供電電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于收發(fā)器的電源電壓。所以，在μC和RS-232收發(fā)器之間需要添加邏輯電平轉(zhuǎn)換器。有些RS-232器件集成了電平轉(zhuǎn)換器，例如MAX3386E提供一個(gè)VL引腳，用于配置接收器輸出和發(fā)送器輸入端的邏輯電平。這一特性對(duì)于多電源供電和/或多邏輯電平系統(tǒng)非常實(shí)用。比如，圖12中的MAX3386E工作在3.0V至5.5V單電源，VL引腳將邏輯門限設(shè)置在0.8V至5V。

　　圖12. MAX3386E包含一個(gè)VL引腳，允許在混合電壓系統(tǒng)中提供可編程的邏輯門限。

　　微型封裝

　　由于絕大多數(shù)現(xiàn)代應(yīng)用中都要求小尺寸設(shè)計(jì)，需要把IC放置在非常小的電路板區(qū)域。目前所能提供的最小封裝是芯片級(jí)封裝(CSP)。晶片級(jí)封裝(WLCSP)設(shè)計(jì)是IC倒裝在印刷電路板上;芯片的焊盤通過獨(dú)立的焊球焊接到PCB上，不需要任何其它填充物(圖13)。WLCSP技術(shù)不同于其它球柵陣列、引線封裝和層疊CSP技術(shù)，它不需要綁定線或內(nèi)部連線。WLCSP封裝的優(yōu)勢(shì)在于IC與PCB之間的寄生電感非常小;另外，它還有助于減少封裝尺寸、縮短生產(chǎn)時(shí)間、改善熱傳導(dǎo)特性。UCSP?是Maxim的WLCSP封裝商標(biāo)。

　　圖13. 典型的14焊球WLCSP封裝

　　結(jié)論

　　在過去的25年，RS-232技術(shù)隨著應(yīng)用需求的變化而穩(wěn)步發(fā)展。Maxim的眾多RS-232收發(fā)器在業(yè)內(nèi)占據(jù)了重要的優(yōu)勢(shì)。另外，沒有任何理由顯示這類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已經(jīng)止步不前。

　　RS-232串口通信仍將在低成本、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。在未來的應(yīng)用中，低供電電壓、高數(shù)據(jù)率將成為新設(shè)計(jì)的普遍要求。未來的器件設(shè)計(jì)將會(huì)集成電氣隔離、過壓保護(hù)等功能。我們堅(jiān)信Maxim將繼續(xù)保持這一領(lǐng)域創(chuàng)新設(shè)計(jì)的領(lǐng)導(dǎo)地位。