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如ISA 適配卡不可能插入STD總線或用戶(hù)自定義的總線其通用性較差

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：

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

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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

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

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