基于可編程邏輯陣列的RS232至RS422的串行口擴展電

關鍵詞：串行通訊；數(shù)據(jù)采集；集散控制；RC232；RS422

由于ＲＳ－４２２總線具有抗干擾能力強、通訊速率高、通訊距離遠、可以與多臺從機通訊等特點，所以，該總線在數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控管理及集散控制系統(tǒng)的主從式多機通訊系統(tǒng)中得到普遍應用。但是，若在一條ＲＳ－４２２ 通訊總線上連接過多的從機，則有可能會由于總線負擔過重，而使系統(tǒng)可靠性變差，有時甚至會導致整個系統(tǒng)無法正常工作。

為了解決ＲＳ４２２總線在實際應用中可能出現(xiàn)的問題，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行數(shù)據(jù)通訊；也可以不用ＤＴＲ、ＲＴＳ控制信號，而直接實現(xiàn)主機與全部通訊接口的從機之間的數(shù)據(jù)通訊，同時可在不改變原來軟件的情況下，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實現(xiàn)光電隔離，從而增強了主機系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，該擴展電路還具有不占用系統(tǒng)資源、結構簡單、使用方便、通用性強和性能可靠等特點，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(tǒng)。

在實際的煤氣泄漏巡檢系統(tǒng)中，筆者用該擴展電路組成的主從式多機通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)了主機與４０多臺數(shù)據(jù)采集裝置之間的數(shù)據(jù)通訊，而且保證了通訊性能的穩(wěn)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。整個擴展電路分為４個部分，其中，第一部分是ＤＣ－ＤＣ隔離電源。為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，本電路采用隔離電源來進行供電。第二部分是ＲＳ－２３２接口電路，用于實現(xiàn)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，主要實現(xiàn)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，主要用于實現(xiàn)對通訊接口的切換。

２　電路工作原理

２．１ ＤＣ－ＤＣ隔離電源

為了提高整個系統(tǒng)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(diào)頻方式）方式來工作的，最高調(diào)制頻率為３００ｋＨｚ。該芯片內(nèi)部含有誤差放大器、頻率調(diào)制器和功率驅動管。ＭＡＸ７６１只需少數(shù)幾個外圍元件即可組成ＤＣ－ＤＣ電源轉換電路。而電路中的ＬＴ４３１芯片則是集電極開路的誤差放大器，它內(nèi)含２．５Ｖ基準源。

該ＤＣ－ＤＣ隔離電源主要通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的頻率（調(diào)節(jié)脈沖的間歇時間）來使輸出電壓保持穩(wěn)定。其穩(wěn)壓過程的原理為：

當輸出電壓下降時，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，在調(diào)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性增大，Ｄ１反偏截止，此時次極無電流，脈沖變壓器開始儲存能量；而在調(diào)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(wěn)定。

實際上，當輸出電壓升高時，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，在調(diào)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。而此時負載消耗將使輸出電壓下降。從而使輸出電壓保持穩(wěn)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。通過主機軟件可設置ＤＴＲ、ＲＴＳ的狀態(tài)以選擇通訊接口，從而實現(xiàn)主機與連接在此通訊接口上的從機之間的數(shù)據(jù)通訊。

圖3

２．３ ＲＳ４２２／ＲＳ４８５接口電路

ＲＳ４２２／ＲＳ４８５接口電路由４片（Ｕ３～Ｕ６）ＭＡＸ４８９芯片組成。ＭＡＸ４８９芯片內(nèi)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(shù)據(jù)的接收，ＤＥ 使能端（高有效）則控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。為便于通訊系統(tǒng)的調(diào)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發(fā)光管以觀察各路的通訊狀態(tài)。

２．４ 譯碼控制電路

電路中的Ｕ１（ＧＡＬ１６Ｖ８）是可編程的邏輯陣列，利用該芯片并通過編程可實現(xiàn)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，同時將設置開關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個通訊口的數(shù)據(jù)發(fā)送器，從而完成主機向所選擇通訊總線的數(shù)據(jù)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個通訊口的數(shù)據(jù)接收器，以最終使主機通過通訊總線完成從機數(shù)據(jù)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

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行光電隔離，也增強了主機系統(tǒng)的抗干擾能力。該電路同時具有不占用系統(tǒng)資源、結構簡單、使用方便、通用性強和性能可靠等特點?可廣泛應用于雙全工通訊方式的主從式多機通訊系統(tǒng)。