解決RS-232長(cháng)距離串行通信的一種實(shí)用方法

1 引言

RS-232串行通信是早期為促進(jìn)公共電話(huà)網(wǎng)絡(luò )通信而制定的標準，是目前異步通信中應用最廣的標準總線(xiàn)，適用于數據終端設備和數據通信設備之間的接口。圖1所示為RS-232串行通信的簡(jiǎn)單示意圖。然而，由于發(fā)送器（TXD）和接收器（RXD）之間具有公共信號地（GND），因此不能使用雙端信號，這樣可能會(huì )使共模噪聲耦合到信號系統中。因此，設計者不得不使用較高傳輸電壓進(jìn)行傳輸，另外，這種傳輸方式的信號傳輸速度最高為20kB/s，最長(cháng)距離僅為15m。顯然這樣的傳輸速度和距離已不能適應現代網(wǎng)絡(luò )通信的要求，為了使許多自身帶有RS-232通信接口的設備能夠在盡量降低硬件成本和減輕軟件工作量的情況下實(shí)現長(cháng)距離串行通信，筆者開(kāi)發(fā)了一種利用電流環(huán)同RS-232進(jìn)行接口來(lái)實(shí)現具有光電隔離功能的長(cháng)距離串行通信系統。

2 20mA電流環(huán)數據傳送信號原理

20mA電流環(huán)路串行接口也是一種應用較廣的接口電路，其串行通信接口電路如圖2所示，由于其沒(méi)有形成正式標準，因此一般計算機的數據傳送設備不具有這種接口。但其接口電路簡(jiǎn)單，發(fā)送正、發(fā)送負、接收正、接收負四根線(xiàn)分別組成了輸入電流回路和輸出電流回路。在發(fā)送數據時(shí)，根據數據的邏輯1和邏輯0來(lái)有規律的使回路形成通、斷狀態(tài)（圖2中用開(kāi)關(guān)示意電流的有無(wú)）。電流環(huán)串行通信接口的最大優(yōu)點(diǎn)是低阻抗傳輸線(xiàn)對電氣噪聲不敏感，而且易實(shí)現光電隔離，且傳輸距離很長(cháng)。

3 電路環(huán)路同RS-232串行通信電路的接口

結合電流環(huán)傳輸的上述特點(diǎn)，在充分利用設備自身配有的RS-232串行通信口的基礎上，筆者設計了如圖3所示的將RS-232信號轉換成電流環(huán)來(lái)進(jìn)行信號傳輸的接口電路。圖3中ICL232芯片用于完成RS-232接口信號同TTL電平信號間的調整，RS-232總線(xiàn)的發(fā)送端（TXD）信號經(jīng)ICL232芯片轉換成TTL電平信號后，經(jīng)光耦（4N25），由芯片SN75452進(jìn)行電流驅動(dòng)。在傳輸線(xiàn)上，以電流有無(wú)的方式傳輸數字信號。同理，在接收端，電流信號經(jīng)光耦及反向器整形，在形成TTL電平信號后，由ICL232芯片調理，然后將產(chǎn)生的標準RS-232電平信號送到RS-232串行通信的接收端（RXD），以完成串行通信的發(fā)送和接收。由圖3可知，電流環(huán)的傳送和接收是對地隔離的，即使傳輸線(xiàn)上受到強干擾，通信兩端帶有的標準RS-232通訊接口設備也不會(huì )受到影響，從而起到了通信線(xiàn)路同設備及設備之間的隔離，保證了設備的安全。采用這種方式傳送信號不但傳輸距離遠（在9.6kB/s的速度下，傳輸距離可達1km以上），而且抗干擾能力極強，即使在環(huán)境非常惡劣的條件下，也能保證通信的正常運行。

4 應用實(shí)例

在某五星級賓館的污水處理監視系統中，將圖3中傳輸長(cháng)線(xiàn)兩端的電路分別做成兩塊電路板，一塊置于計算機端，將計算機串行口信號轉換成電流環(huán)信號發(fā)送出去或將電流信號轉換成RS-232電平信號進(jìn)行信息接收；另一塊置于可編程控制器（PLC）端，用于將電流信號轉換成標準的RS-232信號送到PLC的串行口上或將PLC串口發(fā)出的信號轉換成電流，并通過(guò)電流回路發(fā)送出去，以實(shí)現計算機同PLC間的串行通訊，其系統工作圖如圖4所示。該方案的采用不但克服了單純使用RS-232串行通訊時(shí)的通導誤碼較多，以及在大功率電泵啟動(dòng)或出現雷電天氣時(shí)通訊完全失敗等現象的發(fā)生，同時(shí)避免了PLC及計算機的串行口經(jīng)常損環(huán)等問(wèn)題，從而實(shí)現了隔離和長(cháng)距離通訊的雙重功能。同時(shí)這種方法軟件編程簡(jiǎn)單（同RS-232標準接口一樣），硬件成本很低（僅需要增加150元左右）。同目前解決長(cháng)距離串行通信采用的RS-422總線(xiàn)相比，其性能價(jià)格比提高了數十倍甚至更多。目前，筆者設計此通訊接口已連續運行兩年，沒(méi)有出現任何問(wèn)題。

另外，在空調電機氣參數自動(dòng)檢測系統中，大部分的電氣參數測試設備均留有RS-232接口，系統的中心控制計算機同各設備之間一般都通過(guò)串行口進(jìn)行信息交換和數據采集。但測試設備如功率儀、絕緣電阻測試儀、泄漏電流測試儀等均存在高壓信號，這些信號在串行通信時(shí)經(jīng)常通過(guò)地線(xiàn)竄到計算機中，燒環(huán)計算機中的串行口。在這種情況下，采用圖3方案可實(shí)現計算機同各測試設備間公共地線(xiàn)的有效隔離，保證檢測設備和計算機的通信安全。

采用圖3所示方案的電路結構及實(shí)現原理比較簡(jiǎn)單，同其它類(lèi)型的串行通信總線(xiàn)如RS-422、RS-423、RS-449相比，該方案具有成本低（可借助設備原有的RS-232接口）、接口簡(jiǎn)單、軟件支持性好，編程簡(jiǎn)單，通用性及實(shí)用性強等優(yōu)點(diǎn)，尤其在通信工程應用領(lǐng)域中具有很高的實(shí)用價(jià)值。