rs232-485
| 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)： 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總線或用戶自定義的總線其通用性較差 !"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于復(fù)雜 !"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 !"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 !"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 !"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 RS RS-232 至RS RS-485/ RS RS-422 智能轉(zhuǎn)換器 !"低功耗微處理器 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 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(lái)設(shè) 定的 !"RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換 !"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 圖1 智能轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖 3. 工作原理 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 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******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)須專門的收發(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 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 低功耗 微處理器 RS-485/RS-4 22接口 RS-232 接口 RS-RXD RS-TXD RS-DTR RS-RTS TTL-RXD TTL-TXD 半雙工/ 全雙工 接口 +3.0V或+5V 發(fā)送使能 接收使能 半/全雙工跳線 RS RS-232 至RS RS-485/ RS RS-422 智能轉(zhuǎn)換器 圖3 RS-232 到RS-485/RS-422 接口的智能轉(zhuǎn)換器 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,開關(guān)損耗較小(因?yàn)殚_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 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跳線器來(lái)設(shè)置的見圖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TXD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的接收使能詳見圖3 RS RS-232 至RS RS-485/ RS RS-422 智能轉(zhuǎn)換器 本轉(zhuǎn)換器的******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 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 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 留有較大的電源功率裕量 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 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 |
