RS-232至RS-485RS-422接口的智能轉換器
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摘 要： 詳細地介紹了如何從RS-232信號線上高效率地產生電源，如何實現RS-232接口與RS-485RS-422接口的智能轉換，同時，也給出了具體的硬件設計及軟件設計方法。 <BR> 關鍵詞： RS-232 RS-485RS-422 接口 智能轉換器 </P><P> 隨著計算機在工業的廣泛應用，控制局域網絡也深入應用到各行各業之中�，F行的諸多控制系統，若采用單機控制方式已越來越難以滿足設備控制的要求，因為往往我們所控制的設備只是整個系統的一個基本單元，它既需要外部輸入一些必要的信息，同時，也需要向外部輸出自身的運行參數和狀態。所有這些，都要求我們采用控制網絡技術，將眾多設備有機地連成一體，以保證整個系統安全可靠地運行。</P><P> 目前，在我國應用的現場總線中，RS-485RS-422使用最為普遍。當用戶要將基于標準的RS-232接口設備，如PC機，連接至由RS-485RS-422構成的通訊網絡時，則必須作RS-232和RS-485RS-422之間的電平轉換。傳統的做法是在設備內擴展一個通訊適配卡，由通訊適配卡實現電平轉換，內部主機再通過并行總線讀出或寫入數據。顯然，這種設計方法存在下列缺點：</P><P> · 由于適配卡是基于某一種總線標準擴展的，而不是基于RS-232電平標準，所以其應用范圍受到限制，只能一種適配卡適用一種總線（如ISA適配卡不可能插入STD總線或用戶自定義的總線），其通用性較差；</P><P> · 雖然實現的僅僅是電平轉換，但是由于需要考慮與擴展總線的接口和增加一個標準的UART，并且需要占用系統的其它寶貴資源，使硬件和軟件變得過于復雜；</P><P> · 復雜的硬件設計大大增加了元器件的數目和電路板面，使適配卡的成本過高；</P><P> · 由于采用內置插卡方式，使變更通信方式比較麻煩，如將半雙工通信方式設置為全雙工方式等。另外，維修和測試也比較麻煩；</P><P> · 對于現有的基于RS-232的設備，在無法變動系統軟件和硬件的情況下，顯然適配卡無法將這些設備連成基于RS-485或RS-422通信網絡的分布式系統。</P><P> 為了克服上述缺點，同時考慮到RS-232接口的自身特點，我們設計了一種小巧的、無須外部供電的智能收發轉換器，實現RS-232和RS-485RS-422之間的電平轉換。</P><P> １ 功能描述及結構框圖</P><P> 本智能轉換器作為一個獨立的電平轉換控制器，涉及線上取電、發送和接收狀態的智能切換、通信方式設置、RS-232電平與RS-485RS-422電平之間的轉換等方面。具體描述如下：</P><P> · 從RS-232接口上取電</P><P> 由于不采用外部供電方式，則必須從RS-232接口線取電，為內部元器件供電。我們知道，標準的RS-232接口定義中，TXD、RTS和DTR是RS-232電平輸出。設計一個DC-DC轉換器，從這些信號上，能夠為系統提供一定的電源功率。</P><P> · 低功耗微處理器</P><P> 微處理器通過監測TXD信號的變化，決定是否允許數據發送和數據接收。另外，有關通信方式、波特率和半／雙工工作方式選擇也是通過TXD信號，或I/O口來設定的。</P><P> · RS-232電平與TTL電平之間的轉換</P><P> · RS-485RS-422電平與TTL電平之間的轉換</P><P> 其內部電路結構示意圖如圖１所示。</P><P> ２ 工作原理</P><P> 該智能轉換器必須解決兩個關鍵問題，即如何從RS-232線上獲得電源和RS-485RS-422接口驅動所需的功率，和如何智能控制RS-485RS-422的收發使能。</P><P> 2。1 電源方案</P><P> 標準的RS-232定義中，有三個發送信號：TXD，RTS和DTR。每根線上的典型輸出電流為±8mA／±12V，考慮到TXD為負電平（處于停止發送，或發送數字“１”時）的時間較多，因而電源轉換決定采用負電源輸入，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能電容和TXD（為負電平時）能夠補充一定的功率。假設，我們設計一個效率為85%、輸出電壓為3V的DC-DC轉換器，則輸出電流可達54.5mA。</P><P> 2.2 智能控制收發使能</P><P> RS-232通訊接口采用電平方式傳輸，適用于點－點通訊，無須專門的收發使能控制；而對于RS-485RS-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節點，必然要求各個節點能夠獨立地控制總線驅動器關斷或打開，保證不會影響到其它節點的正常通訊。為了簡化與轉換器RS-232接口端相連的軟件工作，更重要的是為了提高本轉換器的通用性和靈活性（即插即用，無須要求用戶更改任何相關軟件和硬件），本轉換器內置微處理器，實現收發使能的智能控制。具體方法：微處理器在檢測到UART的通信起始位后，打開發送使能，允許串行數據發送至RS-485RS-422通訊網絡。微處理器根據所設定的波特率延時至UART停止位發送一半時（例如11位格式時，延時10.5T,）,開始檢測是否有下一個起始位到來。在時間T內，若有下一個起始位到來，則保持發送狀態，否則將關閉發送使能，結束數據發送。</P><P> ３ 硬件設計</P><P> 由于本轉換器供電來自RS-232信號線，其輸入功率受到限制，因而在本設計中將盡可能地采用+3V供電的低功耗器件，保證總電流小于54.4mA。主要包括4個部分：DC-DC轉換器、RS-232接口、RS-485RS-422接口和微處理器。分別介紹如下：</P><P> 3.1 DC-DC轉換器</P><P> 顯然，還沒有一個DC-DC轉換器能夠直接實現-12V輸入，+3V輸出的IC。但是，如果我們利用現有的IC，稍作改動，即可實現該功能。圖２所示的DC-DC轉換電路，就是利用MAX761實現的-12V輸入，+3V輸出、效率高于85%的升壓DC-DC轉換器。該轉換器實際輸入電壓范圍為-2.5～-13.5V，靜態工作電流僅I1=120μA，具有輸出電流大于54.5mA的能力（如果前端輸入功率未受到限制，則輸出電流可達300mA以上）。由于MAX761采用高效率的PFM控制方式,而且在本電路中,開關損耗較�。熞驗殚_關電流小于負載電流所以能夠達到比MAX761典型應用更高的效率MAX761典型應用效率為86%。輸出電壓由下列方程確定：</P><P> </P><P> 選取R2=100KΩ，根據所需要的輸出電壓，計算R1。</P><P> 3.2 RS-232接口</P><P> 本轉換器只需要一片單發／單收RS-232接口就可以滿足要求，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/NAX3221E（帶±15kVESD保護）剛好能夠滿足上述要求，具有1TX/1RX，其工作電壓+3～+5.5V,僅1μA的靜態電流，負載電流小于I2=2mA。</P><P> 3.3 RS-485RS-422接口</P><P> 為兼顧RS-485RS-422接口中半雙工和全雙工的要求，本轉換器采用MAX3491作為RS-485RS-422接口電路，其主要指標為：+3～+3.6V單電源工作、工作電流1mA驅動60Ω負載時（半雙工時，兩個120Ω終端匹配電阻的并聯值），峰值電流可達I3=3V/60Ω=50mA。半雙工和全雙工工作方式是通過跳線器來設置的，見圖３。</P><P> 3.4 微處理器</P><P> 在本轉換器中，微處理器所要完成的任務很簡單，僅需要幾根I/O線即可實現參數的設置和發送使能的自動控制。實際選擇中，采用Microchip公司的PIC12C508A，其主要指標為：工作電流＜1.0mA工作電壓3V，頻率4MHz)6條I/O線，512kByte的ROM。其中，GP0、GP1、GP4和GP5四個引腳設定對應于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）的延時時間；GP3對應于10位或11位串行數據格式；GP2為TXD輸入，用來檢測UART何時發送和停止數據；GP1為復用輸出引腳，用來控制MAX3491的發送使能控制端；GP0也為復用輸出引腳，用來控制MAX3491的接收使能。詳見圖３。</P><P> 本轉換器的最大電流總和＜+++=0.12+2.0+50.0+1.0=53.12mA，小于DC-DC轉換器的最小輸出電流54.4mA，因而通過RS-232信號線為本電路供電是完全可行的。實際上，由于輸入電源端的儲能電容E1和TXD（為負電平時）能夠為電路補充一定的功率，所以設計上留有較大的電源功率裕量。</P><P> ４ 軟件設計</P><P> 本轉換器的軟件設計較為簡單，微處理器復位后，將所有的I/O口設為輸入，并讀入所有的I/O狀態，保存到寄存器；將GP2和GP3改設為輸出狀態，并輸出低電平，使RS-485RS-422接口處于禁止發送、允許接收的狀態。CPU根據GPI0的初始狀態，確定出用戶設定的通訊波特率和串行數據格式，從而預置內部的延時設定。CPU檢測到UART開始通訊后，打開發送使能，經內部預置延時后，開始在一個位寬時間內檢測是否有下一個起始位到來，如檢測到，則重新延時等待；否則，關閉發送使能，結束當前通訊，重新檢測UART的起始位。對于半雙工通訊方式，允許發送使能前應該關閉接收使能，而在發送使能關閉后才打開接收使能。對于全雙工通訊方式，其接收使能可以不受此信號控制，而可以直接通過跳線接地，始終允許接收。</P><P> 總之，在本RS-232到RS-485RS-422接口的智能轉換器設計中，除了本身這個產品具有較高的應用價值外，文中所涉及的RS-232信號線供電方案，由于其高效率、大電流輸出能力，在許多基于RS-232接口的應用中都能夠很好地滿足應用；另外，這種智能控制RS-485RS-422接口的收發使能的思想，在擴展基于RS-485RS-422接口的網絡分支及延伸通訊距離都能夠得到很好的應用。<BR>
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