RS-232收發(fā)器的發(fā)展過程回顧

　　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)?，器件可以工作?.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?；谶@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