RS-232轉(zhuǎn)RS-485/RS-422智能轉(zhuǎn)換器電路圖

A Smart Interface Converter For RS RS-232 232-to to-RS RS-485/RS RS-422

MAXIM北京辦事處(100083 北京8328信箱) 劉武光

摘 要本文詳細(xì)地介紹了如何從RS-232信號(hào)線(xiàn)上高效率地產(chǎn)生電源如何實(shí)現(xiàn)RS-232接口與RS-485/RS-422接口的智能轉(zhuǎn)換同時(shí)也給出了具體的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)方法

Abstract: This paper detailed introduces how to high-efficiently generate a supply from RS-232’s signal lines and how to intelligently convert a standard RS-232 interface to a RS-485/RS-422 interface, and also presents the method of hardware and software design.

關(guān)鍵詞 RS-232 RS-485/RS-422 接口 智能轉(zhuǎn)換器

1. 概述

隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)的廣泛應(yīng)用控制局域網(wǎng)絡(luò)也深入應(yīng)用到各行各業(yè)之中現(xiàn)行的諸多控制系統(tǒng)若采用單機(jī)控制方式已越來(lái)越難以滿(mǎn)足設(shè)備控制的要求因?yàn)橥覀兯刂频脑O(shè)備只是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)基本單元它既需要外部輸入一些必要的信息同時(shí)也需要向外部輸出自身的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)所有這些都要求我們采用控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將眾多設(shè)備有機(jī)地連成一體以保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行目前在我國(guó)應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中RS-485/RS-422 使用最為普遍當(dāng)用戶(hù)要將基于標(biāo)準(zhǔn)的RS-232 接口設(shè)備如PC 機(jī)連接至由RS-485/RS-422 構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò)時(shí)則必須作RS-232和RS-485/RS-422之間的電平轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)的做法是在設(shè)備內(nèi)擴(kuò)展一個(gè)通訊適配卡由通訊適配卡實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換內(nèi)部主機(jī)再通過(guò)并行總線(xiàn)讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)顯然這種設(shè)計(jì)方法存在下列缺點(diǎn)

Ａ．由于適配卡是基于某一種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的而不是基于RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)所以其應(yīng)用范圍受到限制只能一種適配卡適用一種總線(xiàn)如ISA 適配卡不可能插入STD總線(xiàn)或用戶(hù)自定義的總線(xiàn)其通用性較差

Ｂ．雖然實(shí)現(xiàn)的僅僅是電平轉(zhuǎn)換但是由于需要考慮與擴(kuò)展總線(xiàn)的接口和增加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UART 并且需要占用系統(tǒng)的其它寶貴資源使硬件和軟件變得過(guò)于復(fù)雜

Ｃ．復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)大大增加了元器件的數(shù)目和電路板面使適配卡的成本過(guò)高

Ｄ．由于采用內(nèi)置插卡方式使變更通信方式比較麻煩如將半雙工通信方式設(shè)置為全雙工方式等另外維修和測(cè)試也比較麻煩

Ｅ．對(duì)于現(xiàn)有的基于RS-232的設(shè)備在無(wú)法變動(dòng)系統(tǒng)軟件和硬件的情況下顯然適配卡無(wú)法將這些設(shè)備連成基于RS-485或RS-422通信網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)為了克服上述缺點(diǎn)同時(shí)考慮到RS-232 接口的自身特點(diǎn)我們?cè)O(shè)計(jì)了一種小巧的無(wú)須外部供電的智能收發(fā)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)RS-232和RS-485/RS-422之間的電平轉(zhuǎn)換

2. 功能描述及結(jié)構(gòu)框圖

本智能轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)獨(dú)立的電平轉(zhuǎn)換控制器涉及線(xiàn)上取電發(fā)送和接收狀態(tài)的智能切換通信方式設(shè)置RS-232電平與RS-485/RS-422電平之間的轉(zhuǎn)換等方面具體描述如下

Ａ．從RS-232接口上取電

由于不采用外部供電方式則必須從RS-232接口線(xiàn)取電為內(nèi)部元器件供電我們知道標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口定義中TXD RTS和DTR是RS-232電平輸出設(shè)計(jì)一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器從這些信號(hào)上能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供一定的電源功率．

Ｂ．低功耗微處理器

微處理器通過(guò)監(jiān)測(cè)TXD信號(hào)的變化決定是否允許數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收另外有關(guān)通信方式波特率和半/雙工工作方式選擇也是通過(guò)TXD 信號(hào)或I/O 口來(lái)設(shè)定的

Ｃ．RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換

Ｄ．RS-485/RS-422電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換

其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖如下：

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3. 工作原理

該智能轉(zhuǎn)換器必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題即如何從RS-232線(xiàn)上獲得電路和RS-485/RS-422接口驅(qū)動(dòng)所需的功率和如何智能控制RS-485/RS-422的收發(fā)使能

3.1.電源方案

標(biāo)準(zhǔn)的RS-232 定義中有三個(gè)發(fā)送信號(hào)TXD RTS 和DTR 每根線(xiàn)上的典型輸出電流為8mA/ 12V 考慮到TXD為負(fù)電平處于停止發(fā)送或發(fā)送數(shù)字1 時(shí)的時(shí)間較多因而電源轉(zhuǎn)換決定采用負(fù)電源輸入以最大限度地增加電源輸入功率升壓至所需的工作電源從RTS和DTR上輸入功率=2*8*12mW=192mW,另外由于通訊為間歇工作方式所以輸入電源端的儲(chǔ)能電容和TXD 為負(fù)電平時(shí)能夠補(bǔ)充一定的功率假設(shè)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)效率為85% 輸出電壓為3V 的DC-DC 轉(zhuǎn)換器則輸出電流可達(dá)54.4mA

3.2.智能控制收發(fā)使能

RS-232通訊接口采用電平方式傳輸適用于點(diǎn)-點(diǎn)通訊無(wú)須專(zhuān)門(mén)的收發(fā)使能控制而對(duì)于RS-485/RS-422通訊接口則不同由于采用差分電平方式傳輸且允許在一條通訊總線(xiàn)上掛接多個(gè)節(jié)點(diǎn)必然要求各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立地控制總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷或打開(kāi)保證不會(huì)影響到其它節(jié)點(diǎn)的正常通訊為了簡(jiǎn)化與轉(zhuǎn)換器RS-232 接口端相連的軟件工作更重要的是為了提高本轉(zhuǎn)換器的通用性和靈活性即插即用無(wú)須要求用戶(hù)更改任何相關(guān)軟件和硬件本轉(zhuǎn)換器內(nèi)置微處理器實(shí)現(xiàn)收發(fā)使能的智能控制具體方法微處理器在檢測(cè)到UART 的通信起始位后打開(kāi)發(fā)送使能允許串行數(shù)據(jù)發(fā)送至RS-485/RS-422 通訊網(wǎng)絡(luò)微處理器根據(jù)所設(shè)定的波特率延時(shí)至UART 停止位發(fā)送一半時(shí)例如11位格式時(shí)延時(shí)10.5T,T=1/fBAUD ,開(kāi)始檢測(cè)是否有下一個(gè)起始位到來(lái)在時(shí)間T內(nèi)若有下一個(gè)起始位到來(lái)則保持發(fā)送狀態(tài)否則將關(guān)閉發(fā)送使能結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送

4. 硬件設(shè)計(jì)

由于本轉(zhuǎn)換器供電來(lái)自RS-232信號(hào)線(xiàn)其輸入功率受到限制因而在本設(shè)計(jì)中將盡可能地采用+3V供電的低功耗器件保證總電流小于54.4mA 主要包括4個(gè)部分DC-DC轉(zhuǎn)換器RS-232接口RS-485/RS-422接口和微處理器分別介紹如下

4.1. DC-DC轉(zhuǎn)換器

顯然還沒(méi)有一個(gè)DC-DC 轉(zhuǎn)換器能夠直接實(shí)現(xiàn)-12V 輸入+3V 輸出的IC 但是如果我們利用現(xiàn)有的IC 稍作改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)該功能圖2 所示的DC-DC 轉(zhuǎn)換電路就是利用MAX761 實(shí)現(xiàn)的-12V 輸入+3V 輸出效率高于85%的升壓DC-DC 轉(zhuǎn)換器該轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸入電壓范圍為-2.5V 至-13.5V 靜態(tài)工作電流僅I1=120 A 具有輸出電流大于54.4mA的能力如果前端輸入功率未受到限制則輸出電流可達(dá)300mA以上由于MAX761采用高效率的PFM 控制方式,而且在本電路中,開(kāi)關(guān)損耗較小(因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電流小于負(fù)載電流),所以能夠達(dá)到比MAX761 典型應(yīng)用更高的效率(MAX761 典型應(yīng)用效率為86%) 輸出電壓由下列方程確定

VOUT=VREF*R1/R2+0.7(V) 其中VREF=1.5V

選取R2=100K 根據(jù)所需要的輸出電壓計(jì)算R1

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;" border=0>此主題相關(guān)圖片如下：

圖2 -12V至3V 效率高于85%的DC-DC轉(zhuǎn)換器

4.2. RS-232接口

本轉(zhuǎn)換器只需要一片單發(fā)/單收RS-232接口就可以滿(mǎn)足要求但必須要求+3V單電源工作工作電流盡可能地小的接口電路MAX3221/MAX3221E 帶15kVESD保護(hù)剛好能夠滿(mǎn)足上述要求具有1TX/1RX 其工作電壓+3V至+5.5V, 僅1 A的靜態(tài)電流負(fù)載電流小于I2=2mA

4.3. RS-485/RS-422接口

為兼顧RS-485/RS-422 接口中半雙工和全雙工的要求本轉(zhuǎn)換器采用MAX3491 作為RS-485/RS-422 接口電路其主要指標(biāo)為+3V 至+3.6V 單電源工作工作電流1mA,驅(qū)動(dòng)60負(fù)載時(shí)半雙工時(shí)兩個(gè)120 終端匹配電阻的并聯(lián)值峰值電流可達(dá)I3=3V/60 =50mA半雙工和全雙工工作方式是通過(guò)跳線(xiàn)器來(lái)設(shè)置的見(jiàn)圖3

4.4. 微處理器

在本轉(zhuǎn)換器中微處理器所要完成的任務(wù)很簡(jiǎn)單僅需要幾根I/O 線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和發(fā)送使能的自動(dòng)控制實(shí)際選擇中采用Microchip公司的PIC12C508A其主要指標(biāo)為工作電流I4<1.0mA(工作電壓3V 頻率4MHz),6 條I/O 線(xiàn)512kByte 的ROM 其中GP0 GP1 GP4和GP5四個(gè)引腳設(shè)定對(duì)應(yīng)于16 種常用波特率300 600 1200至38.4Kbps等8 種以及900 1800 至115.4Kbps等8種的延時(shí)時(shí)間GP3對(duì)應(yīng)于10位或11位串行數(shù)據(jù)格式GP2為T(mén)XD輸入用來(lái)檢測(cè)UART何時(shí)發(fā)送和停止數(shù)據(jù)GP1為復(fù)用輸出引腳用來(lái)控制MAX3491的發(fā)送使能控制端GP0也為復(fù)用輸出引腳用來(lái)控制MAX3491的接收使能詳見(jiàn)圖3

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本轉(zhuǎn)換器的最大電流總和

5. 軟件設(shè)計(jì)

本轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單微處理器復(fù)位后將所有的I/O 口設(shè)為輸入并讀入所有的I/O 狀態(tài)保存到寄存器將GP2 和GP3 改設(shè)為輸出狀態(tài)并輸出低電平使RS-485/RS-422 接口處于禁止發(fā)送允許接收的狀態(tài)CPU 根據(jù)GPIO 的初始狀態(tài)確定出用戶(hù)設(shè)定的通訊波特率和串行數(shù)據(jù)格式從而預(yù)置內(nèi)部的延時(shí)設(shè)定CPU 檢測(cè)到UART開(kāi)始通訊后打開(kāi)發(fā)送使能經(jīng)內(nèi)部預(yù)置延時(shí)后開(kāi)始在一個(gè)位寬時(shí)間內(nèi)檢測(cè)是否有下一個(gè)起始位到來(lái)如檢測(cè)到則重新延時(shí)等待否則關(guān)閉發(fā)送使能結(jié)束當(dāng)前通訊重新檢測(cè)UART的起始位對(duì)于半雙工通訊方式允許發(fā)送使能前應(yīng)該關(guān)閉接收使能而在發(fā)送使能關(guān)閉后才打開(kāi)接收使能對(duì)于全雙工通訊方式其接收使能可以不受此信號(hào)控制而可以直接通過(guò)跳線(xiàn)接地始終允許接收

6. 結(jié)論

在本RS-232到RS-485/RS-422接口的智能轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中除了本身這個(gè)產(chǎn)品具有較高的應(yīng)用價(jià)值外文中所涉及的RS-232信號(hào)線(xiàn)供電方案由于其高效率大電流輸出能力在許多基于RS-232 接口的應(yīng)用中都能夠很好地滿(mǎn)足應(yīng)用另外這種智能控制RS-485/RS-422 接口的收發(fā)使能的思想在擴(kuò)展基于RS-485/RS-422 接口的網(wǎng)絡(luò)分支及延伸通訊距離都能夠得到很好的應(yīng)用

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;" border=0>此主題相關(guān)圖片如下：

1. MAX761 datasheet, Rev1.0 Maxim Integrated Products, INC.

2. MAX3221 datasheet,Rev1.0 Maxim Integrated Products, INC.

3. MAX3491 datasheet,Rev1.0 Maxim Integrated Products, INC.

4. PIC12C508A datasheet Microchip Technology INC. 1998