IrDA和RS-232：硅制匹配

IrDA是一種標(biāo)準(zhǔn)化的無線紅外數(shù)據(jù)通信方法?，F(xiàn)代產(chǎn)品通常支持RS-232和IrDA，滿足傳統(tǒng)要求。本應(yīng)用筆記描述了使用單個(gè)UART實(shí)現(xiàn)兩個(gè)接口的方法。

背景

術(shù)語數(shù)據(jù)通信接口是模棱兩可的，但它可以解析為三個(gè)易于理解的層：物理層定義電氣特性和硬件通信速度，協(xié)議層定義數(shù)據(jù)格式，應(yīng)用層使用這種數(shù)據(jù)格式在給定設(shè)備中執(zhí)行任務(wù)。例如，IrDA中的應(yīng)用層IrTran-P用于數(shù)碼相機(jī)和其他成像設(shè)備中以傳輸圖像。

RS-232僅包含物理層，但I(xiàn)rDA包含所有三個(gè)層（物理，協(xié)議和應(yīng)用）。IrDA包括幾個(gè)不同的物理層：SIR（115kbps），MIR（1Mbps），F(xiàn)IR（4Mbps）和VFIR（16Mbps）。由于RS-232和IrDA SIR使用相同的數(shù)據(jù)成幀器（通常稱為UART），因此本文僅考慮RS-232和IrDA SIR物理層。

由于RS-232（直到最近）在過去三十五年中幾乎包含在每臺(tái)計(jì)算機(jī)中，因此它是異步串行通信中使用最廣泛的物理層。大多數(shù)個(gè)人計(jì)算機(jī)正在用通用串行總線（USB）取代RS-232，但RS-232在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備和銷售點(diǎn)設(shè)備中仍然很常見（表1）。

紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA）成立于1993年，其目標(biāo)是定義一個(gè)允許紅外設(shè)備之間通信的3層接口。IrDA SIR成立于1994年，此后不久，微軟在Windows 95中增加了對(duì)IrDA的支持。IrDA現(xiàn)在可用于筆記本電腦，手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，個(gè)人數(shù)字助理（PDA）和尋呼機(jī)等設(shè)備。表 2 列出了對(duì) IrDA SIR 物理層重要的一些規(guī)格。??

傳統(tǒng)方法

在只有一個(gè)UART的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)IrDA和RS-232通常需要四個(gè)IC：雙通道SPDT模擬開關(guān)、編碼器/解碼器（ENDEC）、RS-232收發(fā)器和IR收發(fā)器（圖1）。表3顯示了適合所得電路的IC。

圖1.這種傳統(tǒng)的單UART方法使用四個(gè)IC實(shí)現(xiàn)IrDA和RS-232。

模擬開關(guān)由 μP 或 μC 的通用輸出控制，并將發(fā)送 （TX） 和接收 （RX） 信號(hào)引導(dǎo)至相應(yīng)的收發(fā)器或從相應(yīng)的收發(fā)器發(fā)出。為了滿足 IrDA SIR 操作的標(biāo)準(zhǔn)，TX 信號(hào)必須通過 ENDEC 的編碼器部分，該部分將傳統(tǒng)的 UART NRZ 信號(hào)壓縮為 IR 收發(fā)器所需的單個(gè) RZ 脈沖（圖 2-3）。RX信號(hào)需要相反的處理，因此從紅外收發(fā)器路由到ENDEC的解碼器部分。解碼器將單個(gè)脈沖拉伸為UART可以識(shí)別的傳統(tǒng)NRZ信號(hào)。然后，紅外收發(fā)器僅在紅外光譜中發(fā)送和接收信息。

圖2.編碼器（脈沖壓縮機(jī)）前的UART幀。

圖3.編碼器（脈沖壓縮機(jī)）之后的紅外幀。

更直接的是RS-232操作，其中模擬開關(guān)將TX和RX信號(hào)引導(dǎo)到RS-232收發(fā)器或從RS-232收發(fā)器引出。由于RS-232收發(fā)器不需要ENDEC，因此可以直接接受進(jìn)出UART的TTL/CMOS信號(hào)。RS-5收發(fā)器只不過是一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，其中TTL/CMOS電平反轉(zhuǎn)，然后使用內(nèi)部電荷泵轉(zhuǎn)換為大于+5V和小于-<>V的電平。

替代方法

圖1的常用替代方案是無需使用模擬開關(guān)。這種方法也在單UART系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了IrDA和RS-232，只需要三個(gè)IC：編碼器/解碼器（ENDEC），RS-232收發(fā)器和IR收發(fā)器。IR 和 RS-232 收發(fā)器的 TX 線連接在一起，因此無需模擬開關(guān)。類似的連接適用于兩個(gè)收發(fā)器的 RX 線路。

通用TX線同時(shí)向IR和RS-232變送器傳輸數(shù)據(jù)，但同時(shí)激活兩個(gè)變送器會(huì)浪費(fèi)功率，并且在應(yīng)用中很少需要。許多設(shè)計(jì)人員試圖通過以電子方式斷開未使用的收發(fā)器的電源來解決這個(gè)問題，但這種安排是無效的，因?yàn)槲词褂玫氖瞻l(fā)器仍然通過內(nèi)部保護(hù)二極管由發(fā)射器輸入線路上的電壓供電。因此，替代方法需要仔細(xì)選擇兩種發(fā)射器，使其不如傳統(tǒng)方法萬無一失。因此，您應(yīng)確保圖 232 中的 IR 和 RS-4 收發(fā)器具有關(guān)斷功能，無需斷開電源即可啟用（圖 4）。表4列出了適合該電路的IC。

圖4.這種替代的單UART方法使用三個(gè)IC實(shí)現(xiàn)IrDA和RS-232。

更好的方法

在只有一個(gè)UART的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)IrDA和RS-232不再需要三個(gè)或四個(gè)IC。相反，圖1中的傳統(tǒng)電路現(xiàn)在可以通過單個(gè)IC實(shí)現(xiàn)（圖5）。該IC （MAX3130）在單個(gè)28引腳SSOP封裝中包含了四個(gè)必要的功能。施加到/IRMODE引腳的邏輯信號(hào)控制雙通道SPDT型的內(nèi)部模擬開關(guān)。該開關(guān)在高電平時(shí)將信號(hào)引導(dǎo)至 RS-232 收發(fā)器/從 RS-16 收發(fā)器引導(dǎo)信號(hào)，在低電平時(shí)將信號(hào)引導(dǎo)至 IR 收發(fā)器。內(nèi)部 ENDEC 借助 UART 的 BAUDOUT 信號(hào)提供的波特 232 時(shí)鐘壓縮和拉伸這些信號(hào)。獨(dú)立的RS-3130和IR關(guān)斷電路可在不使用時(shí)關(guān)閉IC的某些部分，從而延長(zhǎng)便攜式應(yīng)用中的電池壽命。MAX4與圖1所示的<>-IC電路相當(dāng)，因?yàn)樗€包括邊緣檢測(cè)電路，用于監(jiān)測(cè)未使用接口上的活動(dòng)。

圖5.更好的單UART方法僅使用一個(gè)IC實(shí)現(xiàn)IrDA和RS-232。

改進(jìn)了其他常見問題的解決方案

當(dāng)今的許多微處理器和微控制器（μP和μC）都包含多個(gè)內(nèi)部UART，如果系統(tǒng)處理器中有兩個(gè)UART可用，則不需要雙SPDT模擬開關(guān)。對(duì)于此類系統(tǒng)，MAX3131在單個(gè)232引腳SSOP封裝中集成了ENDEC、IR收發(fā)器和RS-28收發(fā)器，具有獨(dú)立的關(guān)斷電路（無模擬開關(guān)）（圖6）。這種方法不需要μP I/O引腳，因?yàn)樗话ㄒ刂频哪M開關(guān)。

圖6.更好的雙UART方法僅使用一個(gè)IC實(shí)現(xiàn)IrDA和RS-232。

某些μC內(nèi)部的UART無法提供與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)16550 UART產(chǎn)生的BAUDOUT信號(hào)等效的信號(hào)。（波特率信號(hào)只是一個(gè)比所選波特率快 16 倍的時(shí)鐘。所有 ENDEC 在某個(gè)時(shí)候都需要這個(gè)波特 16 時(shí)鐘，為 9600 波特以外的速率創(chuàng)建這樣的時(shí)鐘并非易事。首先，在任何通信之前都必須存在波特16時(shí)鐘，并且第一次通信是9600波特。當(dāng)時(shí)，兩個(gè)連接的 IrDA 系統(tǒng)就每個(gè)系統(tǒng)支持的最快數(shù)據(jù)速率達(dá)成一致。然后必須相應(yīng)地調(diào)整（增加）波特16時(shí)鐘，以更快和當(dāng)前的波特率構(gòu)建所有新通信。您不能簡(jiǎn)單地用一些觸發(fā)器和跳線來劃分晶體振蕩器信號(hào);系統(tǒng)必須通過軟件控制波特16時(shí)鐘。

圖7所示為配置MAX3100和現(xiàn)有SPI的方法?端口，因此只需使用一個(gè)額外的 I/O 引腳 （/CS16） 即可通過軟件修改 Baud2 時(shí)鐘。作為世界上最小的帶有SPI前端的UART，MAX3100還可以通過SPI端口產(chǎn)生軟件可調(diào)的波特16時(shí)鐘?？雌饋砗芷婀郑珪r(shí)鐘實(shí)際上是從MAX3100的/RTS引腳中產(chǎn)生的。圖7所示為MAX3100向MAX16發(fā)送波特3131字節(jié)時(shí)鐘，但其它需要波特16字節(jié)時(shí)鐘的ENDEC IC（包括MAX3130）也可以。

圖7.MAX3100電路僅需一個(gè)額外的μC I/O即可實(shí)現(xiàn)軟件可調(diào)波特16時(shí)鐘發(fā)生器。

某些應(yīng)用要求每個(gè)通信接口使用單獨(dú)的UART，但設(shè)計(jì)人員可能迫于成本或現(xiàn)有設(shè)計(jì)限制，只能使用一個(gè)內(nèi)部UART的μP。這種情況會(huì)產(chǎn)生一個(gè)昂貴而復(fù)雜的系統(tǒng)。更糟糕的是，如果μP上沒有八個(gè)I/O引腳來連接到第二個(gè)并行硬件UART，則選項(xiàng)很快就會(huì)耗盡。圖8顯示了世界上最小的硬件UART（MAX3100）如何通過SPI端口連接到1P或1C，從而提供第二個(gè)UART。

圖8.世界上最小的硬件UART（MAX3100）通過SPI端口連接到微處理器（或微控制器），以提供第二個(gè)UART。

結(jié)論

電子設(shè)備通常包含多個(gè)數(shù)據(jù)通信接口，將IrDA SIR添加到已經(jīng)支持RS-232的設(shè)備中可以增加便利性，而不會(huì)增加太多成本。另一方面，將RS-232添加到僅支持IrDA的系統(tǒng)中，使該系統(tǒng)與其他類型的設(shè)備兼容。此外，已經(jīng)支持RS-232和IrDA的舊系統(tǒng)是升級(jí)以減少關(guān)鍵電路板空間和成本的絕佳前景。因此，在將RS-232和IrDA SIR設(shè)計(jì)到單個(gè)設(shè)備中時(shí)，了解模塊如何組合在一起以及您的選擇會(huì)非常有幫助。

審核編輯：郭婷