RS-232至RS-485RS-422接口的智能轉換器

　　隨著(zhù)計算機在工業(yè)的廣泛應用，控制局域網(wǎng)絡(luò )也深入應用到各行各業(yè)之中?，F行的諸多控制系統，若采用單機控制方式已越來(lái)越難以滿(mǎn)足設備控制的要求，因為往往我們所控制的設備只是整個(gè)系統的一個(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行參數和狀態(tài)。所有這些，都要求我們采用控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，將眾多設備有機地連成一體，以保證整個(gè)系統安全可靠地運行。

　目前，在我國應用的現場(chǎng)總線(xiàn)中，RS-485RS-422使用最為普遍。當用戶(hù)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(wǎng)絡(luò )時(shí)，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(gè)通訊適配卡，由通訊適配卡實(shí)現電平轉換，內部主機再通過(guò)并行總線(xiàn)讀出或寫(xiě)入數據。顯然，這種設計方法存在下列缺點(diǎn)：

· 由于適配卡是基于某一種總線(xiàn)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(xiàn)（如ISA適配卡不可能插入STD總線(xiàn)或用戶(hù)自定義的總線(xiàn)），其通用性較差；

· 雖然實(shí)現的僅僅是電平轉換，但是由于需要考慮與擴展總線(xiàn)的接口和增加一個(gè)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(guò)于復雜；

· 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(guò)高；

· 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；

· 對于現有的基于RS-232的設備，在無(wú)法變動(dòng)系統軟件和硬件的情況下，顯然適配卡無(wú)法將這些設備連成基于RS-485或RS-422通信網(wǎng)絡(luò )的分布式系統。

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)，我們設計了一種小巧的、無(wú)須外部供電的智能收發(fā)轉換器，實(shí)現RS-232和RS-485RS-422之間的電平轉換。

１ 功能描述及結構框圖

　本智能轉換器作為一個(gè)獨立的電平轉換控制器，涉及線(xiàn)上取電、發(fā)送和接收狀態(tài)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：

· 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(xiàn)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(gè)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。

· 低功耗微處理器

微處理器通過(guò)監測TXD信號的變化，決定是否允許數據發(fā)送和數據接收。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(guò)TXD信號，或I/O口來(lái)設定的。
· RS-232電平與TTL電平之間的轉換
· RS-485RS-422電平與TTL電平之間的轉換

其內部電路結構示意圖如圖１所示。

２ 工作原理

　該智能轉換器必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即如何從RS-232線(xiàn)上獲得電源和RS-485RS-422接口驅動(dòng)所需的功率，和如何智能控制RS-485RS-422的收發(fā)使能。

2。1 電源方案

　標準的RS-232定義中，有三個(gè)發(fā)送信號：TXD，RTS和DTR。每根線(xiàn)上的典型輸出電流為±8mA／±12V，考慮到TXD為負電平（處于停止發(fā)送，或發(fā)送數字“１”時(shí)）的時(shí)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(shí)）能夠補充一定的功率。假設，我們設計一個(gè)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。

2.2 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(zhuān)門(mén)的收發(fā)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(xiàn)上掛接多個(gè)節點(diǎn)，必然要求各個(gè)節點(diǎn)能夠獨立地控制總線(xiàn)驅動(dòng)器關(guān)斷或打開(kāi)，保證不會(huì )影響到其它節點(diǎn)的正常通訊。為了簡(jiǎn)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(wú)須要求用戶(hù)更改任何相關(guān)軟件和硬件），本轉換器內置微處理器，實(shí)現收發(fā)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(kāi)發(fā)送使能，允許串行數據發(fā)送至RS-485RS-422通訊網(wǎng)絡(luò )。微處理器根據所設定的波特率延時(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,）,開(kāi)始檢測是否有下一個(gè)起始位到來(lái)。在時(shí)間T內，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，結束數據發(fā)送。

３ 硬件設計

　由于本轉換器供電來(lái)自RS-232信號線(xiàn)，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(gè)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：

3.1 DC-DC轉換器

顯然，還沒(méi)有一個(gè)DC-DC轉換器能夠直接實(shí)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(dòng)，即可實(shí)現該功能。圖２所示的DC-DC轉換電路，就是利用MAX761實(shí)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(shí)際輸入電壓范圍為-2.5～-13.5V，靜態(tài)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(kāi)關(guān)損耗較?。熞驗殚_(kāi)關(guān)電流小于負載電流?、熕阅軌蜻_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：

選取R2=100KΩ，根據所需要的輸出電壓，計算R1。

3.2 RS-232接口

　　本轉換器只需要一片單發(fā)／單收RS-232接口就可以滿(mǎn)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(mǎn)足上述要求，具有1TX/1RX，其工作電壓+3～+5.5V,僅1μA的靜態(tài)電流，負載電流小于I2=2mA。

3.3 RS-485RS-422接口

　　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(dòng)60Ω負載時(shí)（半雙工時(shí)，兩個(gè)120Ω終端匹配電阻的并聯(lián)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(guò)跳線(xiàn)器來(lái)設置的，見(jiàn)圖３。

3.4 微處理器
　　在本轉換器中，微處理器所要完成的任務(wù)很簡(jiǎn)單，僅需要幾根I/O線(xiàn)即可實(shí)現參數的設置和發(fā)送使能的自動(dòng)控制。實(shí)際選擇中，采用Microchip公司的PIC12C508A，其主要指標為：工作電流＜1.0mA工作電壓3V，頻率4MHz)6條I/O線(xiàn)，512kByte的ROM。其中，GP0、GP1、GP4和GP5四個(gè)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(shí)時(shí)間；GP3對應于10位或11位串行數據格式；GP2為T(mén)XD輸入，用來(lái)檢測UART何時(shí)發(fā)送和停止數據；GP1為復用輸出引腳，用來(lái)控制MAX3491的發(fā)送使能控制端；GP0也為復用輸出引腳，用來(lái)控制MAX3491的接收使能。詳見(jiàn)圖３。

　　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(guò)RS-232信號線(xiàn)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能電容E1和TXD（為負電平時(shí)）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。

４ 軟件設計

　本轉換器的軟件設計較為簡(jiǎn)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(tài)，保存到寄存器；將GP2和GP3改設為輸出狀態(tài)，并輸出低電平，使RS-485RS-422接口處于禁止發(fā)送、允許接收的狀態(tài)。CPU根據GPI0的初始狀態(tài)，確定出用戶(hù)設定的通訊波特率和串行數據格式，從而預置內部的延時(shí)設定。CPU檢測到UART開(kāi)始通訊后，打開(kāi)發(fā)送使能，經(jīng)內部預置延時(shí)后，開(kāi)始在一個(gè)位寬時(shí)間內檢測是否有下一個(gè)起始位到來(lái)，如檢測到，則重新延時(shí)等待；否則，關(guān)閉發(fā)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(fā)送使能前應該關(guān)閉接收使能，而在發(fā)送使能關(guān)閉后才打開(kāi)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(guò)跳線(xiàn)接地，始終允許接收。

　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(gè)產(chǎn)品具有較高的應用價(jià)值外，文中所涉及的RS-232信號線(xiàn)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(mǎn)足應用；另外，這種智能控制RS-485RS-422接口的收發(fā)使能的思想，在擴展基于RS-485RS-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用。