在电子电路设计中，常常会遇到需要将单线半双工模式的串口转换成双线，以便连接到普通的双线 USB 串口模块，如 CH340 这类常见模块的情况。本文详细介绍了如何使用特定电路实现这一转换，同时深入探讨了在电平不一致时的解决方案，还分享了在 Arduino 上的测试经验以及可能遇到的问题和相应的解决策略。
　　利用软件模拟串口功能，通过这个电路能进一步减少串口占用的引脚。虽然 ARM 单片机一般具备硬件单线半双工模式，无需折腾软件时序，但软件串口可以在所有 IO 引脚上实现通信，在某些特定场景下具有很大的便利性。

　　电路原理

　　电路的连接方式为：左边的RTX连接到单片机的单线串口引脚，右边的TXD和RXD分别连接到另一端的对应引脚。此电路有以下要求：
　　RXD引脚固定为输入模式，且具备内部上拉。
　　TXD引脚在空闲时输出高电平。
　　RTX引脚可选择开漏输出模式，并启用内部上拉；或者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，此时 CH340 端的TXD引脚必须保持高电平空闲状态。三极管基极跟随TXD引脚保持高电平。若RTX输出高电平，三极管不会导通，RXD内部上拉为高电平；若RTX输出低电平，三极管导通，RXD被拉低。为避免短路，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。当RTX是开漏输出模式时，效果相同，只有输出低电平会使三极管导通，且能被TXD拉低。

　　该电路的逻辑是利用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。并且，这个电路以及配套的软件串口代码在 Arduino 上测试完全可行。
　　电平不一致的情况
　　然而，当通信双方的信号电平不一致时，情况就变得复杂了。例如，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，需要重新考虑电路原理。
　　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；但TXD输出的 5V 高电平会通过三极管的 BE 节跑到RTX那边去，因为此时RTX电压比较低，三极管导通。一方面，这会让RTX被输入的 5V 电平拉高，不过有 1k + 100 的限流电阻，问题不大，不会冒烟；单片机的 3.3V 电源轨可能会受到干扰，但 5V 经过两个二极管之后就接近 3.3V 了，问题应该也不大。另一方面，此时三极管导通，RXD的电压会被略微拉低，但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，TXD上的 5V 会跑过去，RXD会被三极管略微拉低，总体来说应该是可以兼容的。

　　针对这种情况，可以把三极管换成 NMOS，比如 SI2300。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，要是换成阈值比较高的 2N7002，基本就没问题了。使用 NMOS 时，1K 限流电阻也可以去掉。

　　如果单片机是 5V，而 CH340 是 3.3V，这种情况看似更危险，因为RTX的 5V 电平会直接冲到TXD，而串联的限流电阻不能太大，否则波特率就要降低。不过估计 CH340 的引脚是有 5V 耐受能力的。要是上述 “问题不大” 的情况实际不可行，就只能考虑另外附加电平转换电路，这会比较麻烦，不如调整 CH340 这边的供电，让它和单片机那边一致。