隨著計算機在工業(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)若采用單機控制方式已越來越難以滿足設(shè)備控制的要求因為往往我們所控制的設(shè)備只是整個系統(tǒng)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(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)備有機地連成一體以保證整個系統(tǒng)安全可靠地運行目前在我國應(yīng)用的現(xiàn)場總線中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 機連接至由RS-485/RS-422 構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò)時則必須作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)擴展一個通訊適配卡由通訊適配卡實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換內(nèi)部主機再通過并行總線讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)顯然這種設(shè)計方法存在下列缺點

A.由于適配卡是基于某一種總線標(biāo)準(zhǔn)擴展的而不是基于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

B.雖然實現(xiàn)的僅僅是電平轉(zhuǎn)換但是由于需要考慮與擴展總線的接口和增加一個標(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

C.復(fù)雜的硬件設(shè)計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

D.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試也比較麻煩

E.對于現(xiàn)有的基于RS-232的設(shè)備在無法變動系統(tǒng)軟件和硬件的情況下顯然適配卡無法將這些設(shè)備連成基于RS-485或RS-422通信網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)為了克服上述缺點同時考慮到RS-232 接口的自身特點我們設(shè)計了一種小巧的無須外部供電的智能收發(fā)轉(zhuǎn)換器實現(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)換器作為一個獨立的電平轉(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

A.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)計一個DC-DC轉(zhuǎn)換器從這些信號上能夠為系統(tǒng)提供一定的電源功率.

B.低功耗微處理器

微處理器通過監(jiān)測TXD信號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 信號或I/O 口來設(shè)定的

C.RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換

D.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：

3. 工作原理

該智能轉(zhuǎn)換器必須解決兩個關(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 定義中有三個發(fā)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(fā)送或發(fā)送數(shù)字1 時的時間較多因而電源轉(zhuǎn)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(shè)我們設(shè)計一個效率為85% 輸出電壓為3V 的DC-DC 轉(zhuǎn)換器則輸出電流可達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-點通訊無須專門的收發(fā)使能控制而對于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節(jié)點必然要求各個節(jié)點能夠獨立地控制總線驅(qū)動器關(guān)斷或打開保證不會影響到其它節(jié)點的正常通訊為了簡化與轉(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)置微處理器實現(xiàn)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)定的波特率延時至UART 停止位發(fā)送一半時例如11位格式時延時10.5T,T=1/fBAUD ,開始檢測是否有下一個起始位到來在時間T內(nèi)若有下一個起始位到來則保持發(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

由于本轉(zhuǎn)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(shè)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(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DC-DC 轉(zhuǎn)換器能夠直接實現(xiàn)-12V 輸入+3V 輸出的IC 但是如果我們利用現(xiàn)有的IC 稍作改動即可實現(xiàn)該功能圖2 所示的DC-DC 轉(zhuǎn)換電路就是利用MAX761 實現(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(因為開關(guān)電流小于負載電流),所以能夠達到比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算R1

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60負載時半雙工時兩個120 終端匹配電阻的并聯(lián)值峰值電流可達I3=3V/60 =50mA半雙工和全雙工工作方式是通過跳線器來設(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)很簡單僅需要幾根I/O 線即可實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和發(fā)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(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GP5四個引腳設(shè)定對應(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種的延時時間GP3對應(yīng)于10位或11位串行數(shù)據(jù)格式GP2為TXD輸入用來檢測UART何時發(fā)送和停止數(shù)據(jù)GP1為復(fù)用輸出引腳用來控制MAX3491的發(fā)送使能控制端GP0也為復(fù)用輸出引腳用來控制MAX3491的接收使能詳見圖3

本轉(zhuǎn)換器的最大電流總和

5. 軟件設(shè)計

本轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計較為簡單微處理器復(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)部的延時設(shè)定CPU 檢測到UART開始通訊后打開發(fā)送使能經(jīng)內(nèi)部預(yù)置延時后開始在一個位寬時間內(nèi)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(guān)閉發(fā)送使能結(jié)束當(dāng)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(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

6. 結(jié)論

在本RS-232到RS-485/RS-422接口的智能轉(zhuǎn)換器設(shè)計中除了本身這個產(chǎn)品具有較高的應(yīng)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(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