RS RS-232 至RS RS-485/ RS RS-422 智能轉(zhuǎn)換器<BR> RS RS-232 至RS RS-485/ RS RS-422 智能轉(zhuǎn)換器<BR> A Smart Interface Converter For RS RS-232 232-to to-RS RS-485/RS RS-422<BR> MAXIM北京辦事處(100083 北京8328信箱) 劉武光<BR> 摘 要<BR> 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<BR> 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<BR> Abstract: This paper detailed introduces how to high-efficiently generate a<BR> supply from RS-232’s signal lines and how to intelligently convert a standard RS-232<BR> interface to a RS-485/RS-422 interface, and also presents the method of hardware and<BR> software design.<BR> 關(guān)鍵詞 RS-232 RS-485/RS-422 接口 智能轉(zhuǎn)換器<BR> 1. 概述<BR> 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)控制方式已越來越難以滿足設(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)：<BR> 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<BR> 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<BR> 入STD總線或用戶自定義的總線其通用性較差<BR> !"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)<BR> 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于復(fù)雜<BR> !"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高<BR> !"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<BR> 為全雙工方式等另外維修和測(cè)試也比較麻煩<BR> !"對(duì)于現(xiàn)有的基于RS-232的設(shè)備在無法變動(dòng)系統(tǒng)軟件和硬件的情況下顯然適<BR> 配卡無法將這些設(shè)備連成基于RS-485或RS-422通信網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)<BR> 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<BR> 無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<BR> 2. 功能描述及結(jié)構(gòu)框圖<BR> 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<BR> 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<BR> 描述如下<BR> !"從RS-232接口上取電<BR> 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<BR> 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)<BR> 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<BR> RS RS-232 至RS RS-485/ RS RS-422 智能轉(zhuǎn)換器<BR> !"低功耗微處理器<BR> 微處理器通過監(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<BR> 有關(guān)通信方式波特率和半/雙工工作方式選擇也是通過TXD 信號(hào)或I/O 口來設(shè)<BR> 定的<BR> !"RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換<BR> !"RS-485/RS-422電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換<BR> 其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖如下<BR> 圖1 智能轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖<BR> 3. 工作原理<BR> 該智能轉(zhuǎn)換器必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問題即如何從RS-232線上獲得電路和RS-485/RS-422<BR> 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<BR> 3.1.電源方案<BR> 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<BR> 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)<BR> 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<BR> 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<BR> 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<BR> 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<BR> 流可達(dá)54.4mA<BR> 3.2.智能控制收發(fā)使能<BR> RS-232通訊接口采用電平方式傳輸適用于點(diǎn)-點(diǎn)通訊無須專門的收發(fā)使能控<BR> 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<BR> 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<BR> 打開保證不會(huì)影響到其它節(jié)點(diǎn)的正常通訊為了簡化與轉(zhuǎn)換器RS-232 接口端相連<BR> 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須要求<BR> 用戶更改任何相關(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<BR> 具體方法微處理器在檢測(cè)到UART 的通信起始位后打開發(fā)送使能允許串行數(shù)據(jù)<BR> 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<BR> 發(fā)送一半時(shí)例如11位格式時(shí)延時(shí)10.5T,T=1/fBAUD ,開始檢測(cè)是否有下一個(gè)起始<BR> 位到來在時(shí)間T內(nèi)若有下一個(gè)起始位到來則保持發(fā)送狀態(tài)否則將關(guān)閉發(fā)送使<BR> 能結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送<BR> 4. 硬件設(shè)計(jì)<BR> 由于本轉(zhuǎn)換器供電來自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<BR> 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<BR> DC-DC<BR> 轉(zhuǎn)換器<BR> 低功耗<BR> 微處理器<BR> RS-485/RS-4<BR> 22接口<BR> RS-232<BR> 接口 RS-RXD<BR> RS-TXD<BR> RS-DTR<BR> RS-RTS<BR> TTL-RXD<BR> TTL-TXD 半雙工/<BR> 全雙工<BR> 接口<BR> +3.0V或+5V<BR> 發(fā)送使能 接收使能<BR> 半/全雙工跳線<BR> RS RS-232 至RS RS-485/ RS RS-422 智能轉(zhuǎn)換器<BR> 圖3 RS-232 到RS-485/RS-422 接口的智能轉(zhuǎn)換器<BR> 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<BR> 4.1. DC-DC轉(zhuǎn)換器<BR> 顯然還沒有一個(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<BR> 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<BR> 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<BR> 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<BR> 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<BR> 采用高效率的PFM 控制方式,而且在本電路中,開關(guān)損耗較小(因?yàn)殚_關(guān)電流小于負(fù)載電<BR> 流),所以能夠達(dá)到比MAX761 典<BR> 型應(yīng)用更高的效率(MAX761 典型<BR> 應(yīng)用效率為86%) 輸出電壓由下<BR> 列方程確定<BR> VOUT=VREF*R1/R2+0.7(V) 其<BR> 中VREF=1.5V<BR> 選取R2=100K 根據(jù)所需<BR> 要的輸出電壓計(jì)算R1<BR> 圖2 -12V至3V 效率高于85%的DC-DC轉(zhuǎn)換器<BR> 4.2. RS-232接口<BR> 本轉(zhuǎn)換器只需要一片單發(fā)/單收RS-232接口就可以滿足要求但必須要求+3V單電源<BR> 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<BR> 夠滿足上述要求具有1TX/1RX 其工作電壓+3V至+5.5V, 僅1 A的靜態(tài)電流負(fù)載電<BR> 流小于I2=2mA<BR> 4.3. RS-485/RS-422接口<BR> 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<BR> 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<BR> 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<BR> 半雙工和全雙工工作方式是通過跳線器來設(shè)置的見圖3<BR> 4.4. 微處理器<BR> 在本轉(zhuǎn)換器中微處理器所要<BR> 完成的任務(wù)很簡單僅需要幾根<BR> I/O 線即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和發(fā)送<BR> 使能的自動(dòng)控制實(shí)際選擇中采<BR> 用Microchip公司的PIC12C508A<BR> 其主要指標(biāo)為工作電流<BR> I4<1.0mA(工作電壓3V 頻率<BR> 4MHz),6 條I/O 線512kByte 的<BR> ROM 其中GP0 GP1 GP4和GP5<BR> 四個(gè)引腳設(shè)定對(duì)應(yīng)于16 種常用波<BR> 特率300 600 1200至38.4Kbps<BR> 等8 種以及900 1800 至<BR> 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TXD輸入<BR> 用來檢測(cè)UART何時(shí)發(fā)送和停止數(shù)據(jù)GP1為復(fù)用輸出引腳用來控制MAX3491的發(fā)送使能控<BR> 制端GP0也為復(fù)用輸出引腳用來控制MAX3491的接收使能詳見圖3<BR> RS RS-232 至RS RS-485/ RS RS-422 智能轉(zhuǎn)換器<BR> 本轉(zhuǎn)換器的最大電流總和<I1+I2+I3+I4=0.12+2.0+ 50.0+1.0=53.12mA 小于DC-DC轉(zhuǎn)換<BR> 器的最小輸出電流54.4mA 因而通過RS-232信號(hào)線為本電路供電是完全可行的實(shí)際上由<BR> 于輸入電源端的儲(chǔ)能電容E1 和TXD 為負(fù)電平時(shí)能夠?yàn)殡娐费a(bǔ)充一定的功率所以設(shè)計(jì)上<BR> 留有較大的電源功率裕量<BR> 5. 軟件設(shè)計(jì)<BR> 本轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)較為簡單微處理器復(fù)位后將所有的I/O 口設(shè)為輸入并讀<BR> 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<BR> 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<BR> 出用戶設(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<BR> 開始通訊后打開發(fā)送使能經(jīng)內(nèi)部預(yù)置延時(shí)后開始在一個(gè)位寬時(shí)間內(nèi)檢測(cè)是否有下<BR> 一個(gè)起始位到來如檢測(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<BR> 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<BR> 在發(fā)送使能關(guān)閉后才打開接收使能對(duì)于全雙工通訊方式其接收使能可以不受此信號(hào)<BR> 控制而可以直接通過跳線接地始終允許接收<BR> 6. 結(jié)論<BR> 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<BR> 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<BR> 力在許多基于RS-232 接口的應(yīng)用中都能夠很好地滿足應(yīng)用另外這種智能控制<BR> 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<BR> 延伸通訊距離都能夠得到很好的應(yīng)用<BR> 7. 參考文獻(xiàn)<BR> 1. MAX761 datasheet, Rev1.0 Maxim Integrated Products, INC.<BR> 2. MAX3221 datasheet,Rev1.0 Maxim Integrated Products, INC.<BR> 3. MAX3491 datasheet,Rev1.0 Maxim Integrated Products, INC.<BR> 4. PIC12C508A datasheet Microchip Technology INC. 1998
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