基于可編程邏輯陣列的RS232至RS422的串行口擴展電路

摘要：介紹了利用可編程邏輯陣列把１路RS232擴展至４路RS422的串行口電路設計方法。該擴展電路不占用PC系統資源，同時(shí)具有結構簡(jiǎn)單，使用方便，通用性和可補性強等特點(diǎn)，可廣泛應用于主從式多機通訊系統中。

由于ＲＳ－４２２總線(xiàn)具有抗干擾能力強、通訊速率高、通訊距離遠、可以與多臺從機通訊等特點(diǎn)，所以，該總線(xiàn)在數據采集、監控管理及集散控制系統的主從式多機通訊系統中得到普遍應用。但是，若在一條ＲＳ－４２２ 通訊總線(xiàn)上連接過(guò)多的從機，則有可能會(huì )由于總線(xiàn)負擔過(guò)重，而使系統可靠性變差，有時(shí)甚至會(huì )導致整個(gè)系統無(wú)法正常工作。

為了解決ＲＳ４２２總線(xiàn)在實(shí)際應用中可能出現的問(wèn)題，筆者設計出一種以可編程邏輯陣列ＧＡＬ１６Ｖ８為核心的串行口擴展電路。它可將微機的一路ＲＳ２３２串行口擴展至４路ＲＳ－４２２串行口。該電路通過(guò)主機軟件對ＤＴＲ、ＲＴＳ控制信號的編程，可以和任選通訊接口的從機進(jìn)行數據通訊；也可以不用ＤＴＲ、ＲＴＳ控制信號，而直接實(shí)現主機與全部通訊接口的從機之間的數據通訊，同時(shí)可在不改變原來(lái)軟件的情況下，做到即插即用。

本電路采用ＤＣ－ＤＣ隔離電源供電，主機與通訊接口之間采用高速光耦來(lái)實(shí)現光電隔離，從而增強了主機系統的抗干擾能力。此外，該擴展電路還具有不占用系統資源、結構簡(jiǎn)單、使用方便、通用性強和性能可靠等特點(diǎn)，因此，可廣泛應用于全雙工通訊方式的主從式多機通訊系統。 該ＤＣ－ＤＣ隔離電源主要通過(guò)調節輸出脈沖的頻率（調節脈沖的間歇時(shí)間）來(lái)使輸出電壓保持穩定。其穩壓過(guò)程的原理為： ２．３ ＲＳ４２２／ＲＳ４８５接口電路

在實(shí)際的煤氣泄漏巡檢系統中，筆者用該擴展電路組成的主從式多機通訊網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了主機與４０多臺數據采集裝置之間的數據通訊，而且保證了通訊性能的穩定可靠。

１　電路的整體結構

圖１所示是這種ＲＳ－４２２串行口擴展電路的結構框圖。整個(gè)擴展電路分為４個(gè)部分，其中，第一部分是ＤＣ－ＤＣ隔離電源。為了提高整個(gè)系統的抗干擾能力，本電路采用隔離電源來(lái)進(jìn)行供電。第二部分是ＲＳ－２３２接口電路，用于實(shí)現各信號的ＲＳ－２３２電平與ＴＴＬ電平的轉換；第三部分是ＲＳ４８５／ＲＳ４２２接口電路，主要實(shí)現各信號的ＲＳ４８５／ＲＳ４２２電平與ＴＴＬ電平的轉換；第四部分是以可編程邏輯陣列ＧＡＬ１６Ｖ８ 為核心的譯碼控制電路，主要用于實(shí)現對通訊接口的切換。

２　電路工作原理

２．１ ＤＣ－ＤＣ隔離電源

為了提高整個(gè)系統的抗干擾能力，本電路采用隔離電源供電。ＤＣ－ＤＣ隔離電源的工作原理如圖２所示。電路中的ＭＡＸ７６１ ＤＣ－ＤＣ轉換芯片是采用ＰＦＭ（脈沖調頻方式）方式來(lái)工作的，最高調制頻率為３００ｋＨｚ。該芯片內部含有誤差放大器、頻率調制器和功率驅動(dòng)管。ＭＡＸ７６１只需少數幾個(gè)外圍元件即可組成ＤＣ－ＤＣ電源轉換電路。而電路中的ＬＴ４３１芯片則是集電極開(kāi)路的誤差放大器，它內含２．５Ｖ基準源。

當輸出電壓下降時(shí)，Ｒ４電壓、誤差、ＬＴ４３１輸出、光耦輸出電流、Ｒ１電壓均隨之降低。當Ｒ１電壓小于１．５Ｖ基準電壓時(shí)，在調制脈沖的正半周期，ＬＸ端輸出低電平 脈沖變壓器初極電流線(xiàn)性增大，Ｄ１反偏截止，此時(shí)次極無(wú)電流，脈沖變壓器開(kāi)始儲存能量；而在調制脈沖的負半周，ＬＸ端輸出高電平，脈沖變壓器釋放能量，感應電壓經(jīng)Ｄ１（正向導通）輸出使輸出電壓上升。從而使輸出電壓保持穩定。

實(shí)際上，當輸出電壓升高時(shí)，Ｒ４電阻上的電壓和誤差、ＬＴ４３１輸出到光耦的輸出電流、以及Ｒ１上的電壓均隨之升高，當Ｒ１電壓大于１．５Ｖ基準電壓時(shí)，在調制脈沖的負半周，ＬＸ端輸出高電平，脈沖變壓器不產(chǎn)生電壓。而此時(shí)負載消耗將使輸出電壓下降。從而使輸出電壓保持穩定。

２．２ ＲＳ－２３２接口電路

串行口擴展電路的電路連接如圖３所示。圖中的ＭＡＸ２３８ 接口芯片含有４路ＲＳ－２３２接口電路，其中一路用于ＲＸＤ、ＴＸＤ通訊信號的電平轉換，另外兩路用于ＤＴＲ、ＲＴＳ信號的電平轉換。通過(guò)主機軟件可設置ＤＴＲ、ＲＴＳ的狀態(tài)以選擇通訊接口，從而實(shí)現主機與連接在此通訊接口上的從機之間的數據通訊。

圖3

ＲＳ４２２／ＲＳ４８５接口電路由４片（Ｕ３～Ｕ６）ＭＡＸ４８９芯片組成。ＭＡＸ４８９芯片內部含有一組接收、發(fā)送電平轉換電路。該芯片是全雙工通訊方式的ＲＳ４２２接口芯片， 芯片上的ＲＥ使能端（低有效）用于控制數據的接收，ＤＥ 使能端（高有效）則控制數據的發(fā)送。為便于通訊系統的調試，可以在接收端、發(fā)送端和各路發(fā)送使能端分別安裝一個(gè)發(fā)光管以觀(guān)察各路的通訊狀態(tài)。

２．４ 譯碼控制電路

電路中的Ｕ１（ＧＡＬ１６Ｖ８）是可編程的邏輯陣列，利用該芯片并通過(guò)編程可實(shí)現譯碼控制。將主機發(fā)出的通訊口選擇信號ＤＴＲ、ＲＴＳ由ＩＮ５、ＩＮ６輸入到Ｕ１，同時(shí)將設置開(kāi)關(guān)Ｋ１由ＩＮ１接入Ｕ１這樣，當Ｋ１、ＤＴＲ和ＲＴＳ經(jīng)譯碼后，即可由ＯＵＴ１～ＯＵＴ５輸出到Ｕ３～Ｕ６的發(fā)送使能端，以分別控制４個(gè)通訊口的數據發(fā)送器，從而完成主機向所選擇通訊總線(xiàn)的數據發(fā)送；此外，經(jīng)ＯＵＴ５～ＯＵＴ８輸出到Ｕ３～Ｕ６的接收使能端，則可分別控制４個(gè)通訊口的數據接收器，以最終使主機通過(guò)通訊總線(xiàn)完成從機數據的接收功能。其通訊端口的選擇如表１所列。

表1 通訊端口選擇表

３　結束語(yǔ)

該電路中的全部芯片均選用＋５Ｖ單電源供電，因而電路結構十分簡(jiǎn)單。另外，電路采用ＤＣ－ＤＣ隔離電源供電，且主機與通訊接口之間采用高速光耦進(jìn)行光電隔離，也增強了主機系統的抗干擾能力。該電路同時(shí)具有不占用系統資源、結構簡(jiǎn)單、使用方便、通用性強和性能可靠等特點(diǎn)可廣泛應用于雙全工通訊方式的主從式多機通訊系統。