串口单线半双工转换电路

用来把单线半双工模式的串口转换成双线，然后才能连接到普通的双线USB 串口模块，比如CH340 之类的。电路设计来自大佬的博客：AVR half-duplex software UART supporting single pin operation。他在Arduino 上用软件模拟串口功能，利用这个电路，可以进一步减少串口占用的引脚，ARM 单片机一般都有硬件单线半双工模式，就不用折腾软件时序了，不过软件串口可以在所有IO 引脚上实现通信，某些情况下还是方便的。

电路

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左边的RTX 连接到单片机的单线串口引脚，右边TXD 和RXD 分别连接到另一端的对应引脚，比如，可以按下面这种方式连接：

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这个电路要求：

RXD 引脚固定为输入模式，有内部上拉；
TXD 引脚在空闲时输出高电平；
RTX 引脚在输出和输入模式之间切换，输入模式要有内部上拉；

当RTX 端发送数据时，RTX 引脚为推挽输出模式，CH340 端的TXD 引脚必须保持高电平空闲状态。此时三极管基极跟随TXD 引脚保持高电平。如果RTX 输出高电平，三极管不会导通，RXD 内部上拉为高电平；如果RTX 输出低电平，三极管导通，RXD 被拉低。为了避免短路，RTX 引脚上串了个限流电阻。

当RTX 端接收数据时，RTX 引脚设为上拉输入模式。当TXD 输出高电平，二极管不导通，RTX 保持高电平，RXD 也保持高电平；TXD 输出低电平，就通过二极管把RTX 拉低，此时三极管基极也是低电平，不会导通，所以RXD 仍然是高电平，CH340 的输出不会干扰它自身的输入。

可见，核心逻辑是利用TXD 作为控制RXD 的使能信号，从而阻止回环；引脚利用内部上拉保持默认状态，输出引脚基本上只负责输出低电平。这个电路以及配套的软件串口代码我在Arduino 上测试过，完全OK。不过，稍微有个问题：要是通信双方的信号电平不一致怎么办？

如果电平不一致

比如，RTX 端的单片机是3.3V 电平，CH340 则是5V 电平，1.7V 的压差足以导通二极管和三极管，必须重新考虑一下上面的电路原理。

若RTX 为接收状态，TXD 通过二极管输出低电平时，情况和之前一样；TXD 输出的5V 高电平则会通过三极管的BE 节跑到RTX 那边去，因为这时候RTX 电压比较低，于是三极管导通。

一方面，这会让RTX 被输入的5V 电平拉高，有1k + 100 的限流电阻，问题不大，不会冒烟；单片机的3.3V 电源轨可能会收到干扰，但是问题应该也不大，5V 经过两个二极管之后就接近3.3V 了。另一方面，此时三极管导通了，那么RXD 的电压肯定会被略微拉低，应该不足以直接拉到低电平。

若RTX 为发送状态，输出低电平时情况没有异常，而高电平时，就如上面所说，TXD 上的5V 会跑过去、RXD 会被三极管略微拉低，总的来说应该是可以兼容的。

可以把三极管换成NMOS，比如SI2300，电路接成这样：

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这样一来，CH340 一侧的5V 就不会再冲到单片机一侧了。SI2300 的GS 阈值电压很低，1.7V 就足以导通，所以RXD 还是会被拉低到3.3V，要是再换成阈值比较高的2N7002，就基本没问题了。用NMOS 的话，1K 限流电阻也可以去掉。