解決RS-232長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)，是目前異步通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)，適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)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(hào)地（GND），因此不能使用雙端信號(hào)，這樣可能會(huì)使共模噪聲耦合到信號(hào)系統(tǒng)中。因此，設(shè)計(jì)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(hào)傳輸速度最高為20kB/s，最長(zhǎng)距離僅為15m。顯然這樣的傳輸速度和距離已不能適應(yīng)現(xiàn)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(shè)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(xiàn)長(zhǎng)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(xiàn)具有光電隔離功能的長(zhǎng)距離串行通信系統(tǒng)。

2 20mA電流環(huán)數(shù)據(jù)傳送信號(hào)原理

20mA電流環(huán)路串行接口也是一種應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，因此一般計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送設(shè)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(fù)、接收正、接收負(fù)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(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)的邏輯1和邏輯0來(lái)有規(guī)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(duì)電氣噪聲不敏感，而且易實(shí)現(xiàn)光電隔離，且傳輸距離很長(zhǎng)。

3 電路環(huán)路同RS-232串行通信電路的接口

結(jié)合電流環(huán)傳輸?shù)纳鲜鎏攸c(diǎn)，在充分利用設(shè)備自身配有的RS-232串行通信口的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)了如圖3所示的將RS-232信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流環(huán)來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)慕涌陔娐贰D3中ICL232芯片用于完成RS-232接口信號(hào)同TTL電平信號(hào)間的調(diào)整，RS-232總線(xiàn)的發(fā)送端（TXD）信號(hào)經(jīng)ICL232芯片轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)后，經(jīng)光耦（4N25），由芯片SN75452進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)。在傳輸線(xiàn)上，以電流有無(wú)的方式傳輸數(shù)字信號(hào)。同理，在接收端，電流信號(hào)經(jīng)光耦及反向器整形，在形成TTL電平信號(hào)后，由ICL232芯片調(diào)理，然后將產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)RS-232電平信號(hào)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(duì)地隔離的，即使傳輸線(xiàn)上受到強(qiáng)干擾，通信兩端帶有的標(biāo)準(zhǔn)RS-232通訊接口設(shè)備也不會(huì)受到影響，從而起到了通信線(xiàn)路同設(shè)備及設(shè)備之間的隔離，保證了設(shè)備的安全。采用這種方式傳送信號(hào)不但傳輸距離遠(yuǎn)（在9.6kB/s的速度下，傳輸距離可達(dá)1km以上），而且抗干擾能力極強(qiáng)，即使在環(huán)境非常惡劣的條件下，也能保證通信的正常運(yùn)行。

4 應(yīng)用實(shí)例

在某五星級(jí)賓館的污水處理監(jiān)視系統(tǒng)中，將圖3中傳輸長(zhǎng)線(xiàn)兩端的電路分別做成兩塊電路板，一塊置于計(jì)算機(jī)端，將計(jì)算機(jī)串行口信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流環(huán)信號(hào)發(fā)送出去或?qū)㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)換成RS-232電平信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS-232信號(hào)送到PLC的串行口上或?qū)LC串口發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流，并通過(guò)電流回路發(fā)送出去，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)同PLC間的串行通訊，其系統(tǒng)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(dǎo)誤碼較多，以及在大功率電泵啟動(dòng)或出現(xiàn)雷電天氣時(shí)通訊完全失敗等現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)避免了PLC及計(jì)算機(jī)的串行口經(jīng)常損環(huán)等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了隔離和長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)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(shù)十倍甚至更多。目前，筆者設(shè)計(jì)此通訊接口已連續(xù)運(yùn)行兩年，沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。

另外，在空調(diào)電機(jī)氣參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，大部分的電氣參數(shù)測(cè)試設(shè)備均留有RS-232接口，系統(tǒng)的中心控制計(jì)算機(jī)同各設(shè)備之間一般都通過(guò)串行口進(jìn)行信息交換和數(shù)據(jù)采集。但測(cè)試設(shè)備如功率儀、絕緣電阻測(cè)試儀、泄漏電流測(cè)試儀等均存在高壓信號(hào)，這些信號(hào)在串行通信時(shí)經(jīng)常通過(guò)地線(xiàn)竄到計(jì)算機(jī)中，燒環(huán)計(jì)算機(jī)中的串行口。在這種情況下，采用圖3方案可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)同各測(cè)試設(shè)備間公共地線(xiàn)的有效隔離，保證檢測(cè)設(shè)備和計(jì)算機(jī)的通信安全。

采用圖3所示方案的電路結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)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(shè)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其在通信工程應(yīng)用領(lǐng)域中具有很高的實(shí)用價(jià)值。