RS-232至RS-485RS-422接口的智能轉(zhuǎn)換器

　　隨著計(jì)算機(jī)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(jī)控制方式已越來越難以滿足設(shè)備控制的要求，因?yàn)橥覀兯刂频脑O(shè)備只是整個(gè)系統(tǒng)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(yùn)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(jī)地連成一體，以保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

　目前，在我國(guó)應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線中，RS-485RS-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(jī)，連接至由RS-485RS-422構(gòu)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(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的做法是在設(shè)備內(nèi)擴(kuò)展一個(gè)通訊適配卡，由通訊適配卡實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，內(nèi)部主機(jī)再通過并行總線讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。顯然，這種設(shè)計(jì)方法存在下列缺點(diǎn)：

· 由于適配卡是基于某一種總線標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)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；

· 雖然實(shí)現(xiàn)的僅僅是電平轉(zhuǎn)換，但是由于需要考慮與擴(kuò)展總線的接口和增加一個(gè)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；

· 復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)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；

· 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(cè)試也比較麻煩；

· 對(duì)于現(xiàn)有的基于RS-232的設(shè)備，在無法變動(dòng)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(diǎn)，同時(shí)考慮到RS-232接口的自身特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種小巧的、無須外部供電的智能收發(fā)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)RS-232和RS-485RS-422之間的電平轉(zhuǎn)換。

１ 功能描述及結(jié)構(gòu)框圖

　本智能轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)獨(dú)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-485RS-422電平之間的轉(zhuǎn)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(jì)一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器，從這些信號(hào)上，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供一定的電源功率。

· 低功耗微處理器

微處理器通過監(jiān)測(cè)TXD信號(hào)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(hào)，或I/O口來設(shè)定的。
· RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換
· RS-485RS-422電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換

其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖１所示。

２ 工作原理

　該智能轉(zhuǎn)換器必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，即如何從RS-232線上獲得電源和RS-485RS-422接口驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)的RS-232定義中，有三個(gè)發(fā)送信號(hào)：TXD，RTS和DTR。每根線上的典型輸出電流為±8mA／±12V，考慮到TXD為負(fù)電平（處于停止發(fā)送，或發(fā)送數(shù)字“１”時(shí)）的時(shí)間較多，因而電源轉(zhuǎn)換決定采用負(fù)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(chǔ)能電容和TXD（為負(fù)電平時(shí)）能夠補(bǔ)充一定的功率。假設(shè)，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)效率為85%、輸出電壓為3V的DC-DC轉(zhuǎn)換器，則輸出電流可達(dá)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，無須專門的收發(fā)使能控制；而對(duì)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上掛接多個(gè)節(jié)點(diǎn)，必然要求各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立地控制總線驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷或打開，保證不會(huì)影響到其它節(jié)點(diǎn)的正常通訊。為了簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)收發(fā)使能的智能控制。具體方法：微處理器在檢測(cè)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-485RS-422通訊網(wǎng)絡(luò)。微處理器根據(jù)所設(shè)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,）,開始檢測(cè)是否有下一個(gè)起始位到來。在時(shí)間T內(nèi)，若有下一個(gè)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。

３ 硬件設(shè)計(jì)

　由于本轉(zhuǎn)換器供電來自RS-232信號(hào)線，其輸入功率受到限制，因而在本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器

顯然，還沒有一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠直接實(shí)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(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)該功能。圖２所示的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，就是利用MAX761實(shí)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(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(dá)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?yàn)殚_關(guān)電流小于負(fù)載電流?、熕阅軌蜻_(dá)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：

選取R2=100KΩ，根據(jù)所需要的輸出電壓，計(jì)算R1。

3.2 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/NAX3221E（帶±15kVESD保護(hù)）剛好能夠滿足上述要求，具有1TX/1RX，其工作電壓+3～+5.5V,僅1μA的靜態(tài)電流，負(fù)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(zhuǎn)換器采用MAX3491作為RS-485RS-422接口電路，其主要指標(biāo)為：+3～+3.6V單電源工作、工作電流1mA驅(qū)動(dòng)60Ω負(fù)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(dá)I3=3V/60Ω=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。

3.4 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(jiǎn)單，僅需要幾根I/O線即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)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(biāo)為：工作電流＜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(gè)引腳設(shè)定對(duì)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(shí)時(shí)間；GP3對(duì)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(cè)UART何時(shí)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＜+++=0.12+2.0+50.0+1.0=53.12mA，小于DC-DC轉(zhuǎn)換器的最小輸出電流54.4mA，因而通過RS-232信號(hào)線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(chǔ)能電容E1和TXD（為負(fù)電平時(shí)）能夠?yàn)殡娐费a(bǔ)充一定的功率，所以設(shè)計(jì)上留有較大的電源功率裕量。

４ 軟件設(shè)計(jì)

　本轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)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-485RS-422接口處于禁止發(fā)送、允許接收的狀態(tài)。CPU根據(jù)GPI0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(shí)設(shè)定。CPU檢測(cè)到UART開始通訊后，打開發(fā)送使能，經(jīng)內(nèi)部預(yù)置延時(shí)后，開始在一個(gè)位寬時(shí)間內(nèi)檢測(cè)是否有下一個(gè)起始位到來，如檢測(cè)到，則重新延時(shí)等待；否則，關(guān)閉發(fā)送使能，結(jié)束當(dāng)前通訊，重新檢測(cè)UART的起始位。對(duì)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(duì)于全雙工通訊方式，其接收使能可以不受此信號(hào)控制，而可以直接通過跳線接地，始終允許接收。

　總之，在本RS-232到RS-485RS-422接口的智能轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，除了本身這個(gè)產(chǎn)品具有較高的應(yīng)用價(jià)值外，文中所涉及的RS-232信號(hào)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-485RS-422接口的收發(fā)使能的思想，在擴(kuò)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(yīng)用。