嵌入式常用硬件电路设计及分析

嵌入式常用硬件电路设计及分析 — 通信篇

一、简介

二、RS232通信

1、硬件电路设计

2、硬件电路设计分析

（1）常规电路

（2）EMC设计使用注意事项

3、DB9接头定义

三、RS485通信

1、硬件电路设计

2、硬件电路设计分析

（1）自动收发电路

（2）上下拉电阻注意事项

（3）TVS管作用

（4）末端匹配电阻作用

四、USB转串口

（1）常规电路设计

（2）ISP一键下载

五、CAN通信

一、简介

本文聚焦于嵌入式系统中通信相关的硬件电路，为您带来一系列日常电路的精彩分享与深入分析。通过剖析我们日常生活中常见的通信电路实例，如串行通信接口、USB连接、CAN通信、RS485通信等等，文章将深入浅出地讲解这些电路的设计原理、工作机制以及实际应用中的优化策略。无论您是电子工程领域的初学者，还是希望进一步拓展嵌入式通信硬件知识的专业人士，本文都将为您提供宝贵的参考和实用的洞见，助您更深入地理解并掌握嵌入式通信硬件电路的设计与分析技能。

二、RS232通信

1、硬件电路设计

2、硬件电路设计分析

（1）常规电路

在常规使用环境中，可直接使用上图中的电路进行设计。若自行设计需要注意：RS232电平转换芯片的型号及厂家存在差异，但是在电路结构上大同小异，外部电荷泵的取值和供电电压的取值需要特别注意，按照芯片数据手册进行选值。以上图RS232芯片（SP3232EEN）为例，数据手册中根据不同的供电电压，给出了电荷泵的参考值。电荷泵的取值不合适，直接对输出信号造成干扰，比如产生纹波等等。

（2）EMC设计使用注意事项

常见的EMC测试包括：辐射发射、传导抗扰度、静电放电抗扰度、雷电抗扰度（户外产品）、接地要求。

①、TVS管

在RS232接口的应用中，由于传输距离较短，不会受到较大的浪涌影响，但静电放电、感应脉冲过电压及其他电磁干扰现象仍可能导致较大的瞬态电压，从而损坏通信端口。具体TVS管的选型需要根据测试要求以及使用芯片来确定，目前很多芯片都具有抗静电能力，若芯片的抗静电能力满足测试需求，则可不使用TVS管，若不满足，则需要根据测试值进行TVS管的选型，不同产品的测试条件不同，测试结果也不一，需要根据国标或者行标进行确定。

②、电容

RS232是一种串行通信协议，广泛应用于计算机和外围设备之间的通信。它采用不平衡传输方式，即信号线与地线之间传输数据。为了限制通信距离并适应RS232标准的电气特性，采取了一些措施，其中之一就是在驱动芯片输出端接电容到地。这种做法的目的是为了帮助降低相邻信号之间串扰的可能性，从而提高通信的可靠性和稳定性。具体来说，通过接电容到地，可以控制信号的上升和下降时间，减少信号之间的干扰，进而减少串扰的可能性。具体电容值的大小要根据实际测试环境确定，有小到大进行测试，如果电容值太大，会导致通信失败。

③、磁珠

磁珠的主要作用是在特定频率下表现出高阻抗，从而有效地吸收或减少高频噪声。在EMI滤波器应用中，磁珠被用作一个低通滤波器，允许低频信号通过，同时阻止高频噪声通过，从而保护电路免受干扰‌。磁珠的选型主要看以下两个方面：

‌‌噪声干扰方面：需要考虑噪声的频率和强度。不同型号的磁珠有不同的频率阻抗曲线，选型时要选择噪声中心频率对应的阻抗较高的磁珠，从而更好地抑制噪声。噪声干扰越大，需要选择阻抗更高的磁珠，但高阻抗磁珠也会对有用信号产生较大的衰减，因此需要综合考虑信噪比。根据噪声频段选择磁珠是比较好选择的，但是交流阻抗如何确定呢？这需要根据当前噪声强度、需求值、负载电进行选择，比如当前负载为50Ω，噪声信号强度为650mVpp、100Mhz，预期需求为50mVpp，那么选择磁珠交流阻抗为（50Ω/50mV）*600mV = 600Ω。

磁珠本身的性能：包括额定电流（大于电路中的最大电流值，并保留20%的裕量）、直流导通电阻（DCR）（一般越小越好）和‌标称阻抗（Z@100MHz）等等。

④、电阻

电阻用于限制电流，保护电路免受过大的电流冲击。在RS232驱动芯片的输出端串联电阻，可以进一步减少信号线上的反射和干扰，确保信号的稳定传输。此外，电阻还可以帮助调整信号的上升和下降时间，使得信号更加符合RS232的标准要求‌。

3、DB9接头定义

三、RS485通信

1、硬件电路设计

2、硬件电路设计分析

（1）自动收发电路

①、原理

UART发送管脚USART_TX输出低电平时，三极管Q1截止,接收使能#RE和发送使能DE同时被R6拉高，接口芯片进入发送状态。此时会将连接到发送信号管脚DI上的低电平发送除去，从而在差分输出RS485_A/RS485_B上得到逻辑低电平对应的输出。2、当USART_TX管脚发送高电平时，三极管Q1导通,接收使能#RE和发送使能DE同时被拉低，接口芯片进入接收状态，A、B两个管脚为高阻态。但此时连接到RS485_A/RS485_B上的其他网络节点，却会因为电阻R2和R3（4.7KΩ）的上下作用，将RS485_A/RS485_B上的高阻态理解为高电平。因此，图2虽未直接将USART_TX的信号发送到RS485_A/RS485_B上，但却在逻辑上同时起到了发送数据和自动控制收发状态切换的作用。

②、优点

该电路成本低、空间小，能够简单的实现收发的自动切换，适用于传输速率不高的场合。

③、缺点

三极管有电容效应，导致关断时间较长，导致RE/DE从低到高电平变化出现比较大的斜坡。同时485输出高电平，是依靠上下拉来完成的，会导致上升沿不够迅速，这就会导致大概率收到错误数据，导致丢包（数据校验不通过而丢弃）因此当连接的终端设备少，距离近，这个丢包概率比较低，不容易发现，但是当总线设备增多，通信距离增长等环境下出错率就比较高，因此不建议用在可靠度比较高的产品中。

（2）上下拉电阻注意事项

添加上下拉电阻的最终目的就是保障数据波形的正常，如果使用的485收发器内部已经集成了上下拉电路，或者在特定情况下线缆很长，设备所处的地电位和主板所处的地电位可能不同，这时附加的上下拉电阻可能会产生附加的暗电流，降低信噪比，因此在这些情况下可能不需要额外添加上下拉电阻‌。上下拉电阻的阻值应在1k到10k之间选取。这个范围的选择需要综合考虑功耗、驱动电流以及电路的高速要求。阻值过大可能会导致输出电平延迟，而阻值过小可能会影响信号的边沿平缓‌。