TTL串口设计及其注意事项

一、TTL串口设计概述我们常见的处理器单片机引出来的串口是UART、USART,其中有没有S取决于有没有时钟信号SLK出来的电平是TTL电平常见的UART串口设计有3线串口设计单线串口设计对于3线串口设计较为简单文章简要提及而对于单线串口许多硬件工程师较为陌生这里重点叙述。除此之外对于UART串口的TTL接口的退耦滤波设计TTL接口的防倒灌设计ESD防护设计、串口隔离设计文章将会重点叙述。二、TTL串口设计1.三线串口设计原理图如下加入上拉电阻的原因以及注意事项1、串口空闲状态是高电平一般在软件内部会设置默认高电平但是软件设置的高电平比较弱所以我们最好在硬件上设置上拉电阻。2、这个硬件上拉的电平一定要是与处理器IO电平保持一致。3、上拉电阻1~10K都可以。2.单线串口设计原理图如下如上图所示我们用一个模拟开关可以实现单线串口设计开关的使能ENB直接与处理器的MCU_UART_TXD相连这样做的好处显而易见当处理器发出1时B与A1相连UART_IO接受到1此时接收到的1是由外部电阻上拉得到的当处理器发出0时B与A2相连,UART_IO直接接受0由此完成TTL单线串口设计。3.为什么要单线和多线这是因为项目需求不同根据具体项目的需求不同有时需要引出3线但有时候却只需要引出一个线来接到外部处理器或者外设。三、TTL接口退耦滤波设计原理图如下1.磁珠介绍与选择简单介绍一下磁珠在低频时磁珠可以理解为电阻在高频时磁珠将吸收的高频干扰通过内部结构将这些高频干扰信号转化为热量释放掉磁珠通常选择100Ω/100M电容通常选择在100pf以内用于退耦滤波降低信号线和GND上的高频干扰有利于辐射骚扰实验。2.上拉电阻我们一般会在RXTX端加入上拉这是因为尽管大部分芯片内部有上拉信号或者通过软件设置为上拉信号但是驱动太弱所以需要外加上拉电阻通常情况下上拉电阻的选择在1k~10k左右除此之外上拉的电源要和处理器的IO保持一致这样防止电流倒灌。四、TTL接口防倒灌设计原理图如下1.肖特基二极管选型首先说明对于肖特基二极管的特性1.反向恢复时间低ns级 2.正向导通压降低约0.1~0.2V左右 3.漏电流低补充1.普通二极管恢复时间500ns 2.快恢复二极管500ns以内 3.肖特基二极管20ns反向恢复时间二极管接收到反向电压后其内部电荷重新分布达到平衡的时间。2.串口防倒灌1.设计思路1.使用电平转换芯片最稳妥2.使用mos管或者三极管进行电平转换大部分使用3.直接在串口线上串联二极管。针对电源域不同做防倒灌电压相同或者压差不宜过大2.串联二极管设计1.串联肖特基二极管后串口的高低电平是怎么发送接收的①TX发送“1”时此时二极管截止所以RX接收的“1”是由外部上拉来的从而实现“1”的传输。②TX发送“0”时此时二极管导通由于二极管特性二极管会将电压钳位在自身导通压降电压所以此时RX接收的“0”数据就是这么来的。此时RX引脚上的电压一般为0.1~0.3V大部分处理器都可以将做识别为低电平。如果使用肖特基处理器依旧将认为不定态电平那么只能使用电平转换芯片。原文链接https://blog.csdn.net/m0_74422574/article/details/1513315692.防倒灌设计通常防的是TX往RX的倒灌这边从2方面讲述一方面根据经验以及大量测试验证倒灌是TX往RX,另一方面是因为RX为接收端没有驱动能力实际验证也是如此。五、TTL接口ESD防护原理图如下这个设计与TTL接口滤波退耦电路很相似将两个47pF的电容换成了两个TVS管。需要注意的是TVS管的选型以及放置的位置。1、此处的TVS管应该放置于靠近连接器的位置这样才会有足够的距离给TVS保护处理器。2、TVS的选型①反向工作电压这里我们将串口的电平认为为3.3V。所以我们选择TVS的反向工作电压应该≥3.3V但是不能超过3.3V很多我们最优的选择就是方向工作电压为3.3V或者3.6V的TVS管。这里我们会有疑惑为什么我们会有选择3.3V的TVS管呢这不是一工作就保护了吗其实我们看器件手册其中还有个重要参数Vbr完全反向击穿电压以图中的TVS管为例这个TVS管的工作电压为3.3V完全反向击穿电压为3.8V所以串口在工作时这个TVS管就会开始起保护作用只要串口一出现电平状况TVS就可以立马响应进而保护处理器。②防护等级满足 IEC 61000-4-2------Air discharge±30kv Contact discharge±30kv尽量往防护等级高的选多留点余量防护安全系数高。六、TTL隔离接口原理图如下我们最常用的就是光耦隔离首先我们需要了解串口的传输速率的计算才能明白光耦应该怎么选型。115200 115200bit/s 1bit位的传输时间 1/115200 8.68us如果我们选择的光耦传输速率大于我们计算的这个值的话就会出现串口拉不低或者拉不高的情况这个很好理解。所以我们需要选择高速光耦来满足我们传输速率要求。首先我们看到ISO是隔离的意思所以有ISO的信号都是隔离出来向外连接的信号。原理图中令人疑惑的地方1、为什么不用一个双路的光耦进行隔离而是用两个单路的光耦进行隔离如果使用一个双路的光耦在信号的隔离中我们看着好像是可以的但是我们发现此时这个光耦就只有一个电源所以这个时候我们就不能进行电源和地的隔离了这不是我们想要的所以我们使用两个单路的光耦进行隔离。2、为什么只上拉两个信号而且都是TX的信号这个电路的工作模式是什么答这个首先我们要看这个光耦的芯片手册在光耦这个内部是有逻辑门的。LED亮的时候TX为低输出是低电平LED不亮的时候TX为高输出为高电平。这正好满足我们串口的需求TX发“1”RX接收到的也为“1”TX发“0”RX接收到的也为“0”并且将TX默认拉高之后RX在光耦的作用下也默认为高电平所以在此电路设计中我们只需要拉高TX即可。3、这个电源的隔离是怎么做的C7的作用是什么答这里的电源隔离使用的是磁珠做简单的隔离。C7的作用是众所周知电容有两个特性①通交阻直②通高频阻低频。所以在信号地与外壳地之间加一个电容就形成了一个通高频阻低频的通道。所以板内的高频信号就会通过该通道从信号地泄放到外壳地EMC高频信号。从EMC的角度来讲信号地与外壳地最好直接连接这样信号地与外壳地就可以被称为比较好的可靠的连接。但是从ESD的角度来讲我们给外壳打个静电静电又不能串联到我们的信号地上来不然就会对我们的板卡的IC造成影响或者损坏。所以我们通常会加一个比较大的额定电压的电容。这里我们加的是耐压2000V的电容。总结说明与声明1.总结在文章中我们提到的各种各样的设计都是根据各种项目的一个总结如果项目里面涉及到一个具体的接口不一定说一定要防倒灌防倒灌的目的是你的两端的电瓶电源域不一样才会倒灌如果是完全一样就没有必要有一个防倒灌的设计你要不要做防倒灌要看你有没有倒灌的可能性有的话你才会做防倒灌没有就不需要。还有隔离也是只有具体项目里面有隔离要求的话才会去隔离如果说你的项目里面没有要求做隔离串口那你为什么要隔离呢你可以直接接过来不需要隔离啊信号的退偶滤波的话通常情况下我们都会有相应的设计的还有ESD大多数的工业级的项目都会有ESD的要求不是说一个接口到一个项目里面这些所有的功能都要去做不是这样的哈。文章中的布局思路如图所示2.声明文章中的部分内容来自各种道友的总结并非完全来自个人文章进行了进一步总结与说明也是个人学习总结。原文链接https://blog.csdn.net/m0_74422574/article/details/151331569七、结束风雨同舟超越梦想一起加油成为更专业的硬件工程师。