RS-232/RS-485接口智能收發(fā)轉(zhuǎn)換器設計

現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)，由于自動化設備眾多，往往采用局域網(wǎng)控制形式，而利用RS-485接口組網(wǎng)簡單，成本低廉，且通信距離可滿足一般工業(yè)應用，因此獲得了廣泛應用，但一般的微機系統(tǒng)或工業(yè)自動化設備，如PLC，智能化儀表等，往往僅具有RS-232接口，因此 實現(xiàn)RS-232接口與RS-485接口的轉(zhuǎn)換，就具有重要的實際意義。傳統(tǒng)的做法是在原設備內(nèi)擴展一個通信適配卡，由該卡實現(xiàn)RS-232→RS-485接口的轉(zhuǎn)換。采用接口轉(zhuǎn)換卡存在著以下幾方面的問題：⑴由于各設備采用的總線結(jié)構(gòu)不同，轉(zhuǎn)換卡的通用性較差；⑵占用原系統(tǒng)的軟硬件資源較多；⑶硬件復雜，成本高，尤其對一些硬件結(jié)構(gòu)緊湊或無法改動原設備軟硬件資源的自動化設備，使該方案根本無法實施。
針對上述情況，我們設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)了RS-232和RS-485接口間的智能轉(zhuǎn)換。
轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)構(gòu)成
本智能轉(zhuǎn)換器作為一個獨立的電平轉(zhuǎn)換控制器，主要完成電源獲取、RS-232電平與RS-485電平間的轉(zhuǎn)換及實現(xiàn)數(shù)據(jù)流向的自動控制，其系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖
由于本收發(fā)器要從標準RS-232接口上獲取電源，而RS-232接口可提供的電源功率又十分有限，所以如何降低轉(zhuǎn)換器的功率消耗是本設計的重點。為降低功耗，本轉(zhuǎn)換器均選用
新型低功耗器件。
電源電路
本轉(zhuǎn)換器采用串口竊電的方法從RS-232接口獲取電源，并經(jīng)DC/DC電路轉(zhuǎn)換為+3V電源供給單片機及接口電平轉(zhuǎn)換芯片使用。
標準RS-232接口中有三個發(fā)送信號，即數(shù)據(jù)終端準備好DTR，請求發(fā)送RTS和發(fā)送數(shù)據(jù)TXD。這三根輸出信號線中，每根線上的典型輸出電流為±8mA，典型輸出電壓為±12V。我們即從此三根線中來獲取電源，因TXD發(fā)送數(shù)據(jù)線處于等待發(fā)送及發(fā)送“1”的時間要大于發(fā)送“0”的時間，故電源轉(zhuǎn)換采用負電源輸入方式，以最大限度的增加電源輸入功率，保證轉(zhuǎn)換電路的正常工作。
從RTS和DTR兩根信號線上可獲取的輸入功率為P=2×U×I=2×12×8=192mw，當電源轉(zhuǎn)換效率為85%，輸出電壓為3V時，RTS和DTS可提供的輸出電流為I=P.η/U=54.4mA。
而考慮TXD處于等待發(fā)送及發(fā)送“1”態(tài)時，也可為系統(tǒng)提供一定的功率， 故由RS-232接口提供的輸出電流將大于此值。這里將DTR、RTS及TXD三根輸出線經(jīng)二極管整流隔離后輸出電壓為-12V，輸出電流大于54.4mA的負電源，為降低轉(zhuǎn)換器功耗，將電源輸出電壓選取為+3V顯然各公司提供的DC-DC轉(zhuǎn)換器中沒有一個能直接做到-12V輸入+3V輸出，因此我們采用MAXIM公司的MAX716電源IC，稍做改動，實現(xiàn)了此功能。由MAXIM716設計的DC-DC轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 DC-DC 轉(zhuǎn)換電路
由MAXIM716設計的電源電路主要特點是轉(zhuǎn)換效率高達85%，外圍電路簡單，無需變壓器，低功耗靜態(tài)電流僅100μA，該轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為-2.5V〜-13.5V，輸出電壓為+3V，輸出電流可達300mA，但由于輸入功率的限制在本設計中僅可輸出略大于54.4mA的電流。
RS-232接口
本轉(zhuǎn)換器采用一只單發(fā)/單收RS-232接口芯片用于完成RS-232電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換，對接口芯片的要求是低工作電源、低功耗、小體積。在這里我們選用MAXIM公司的MAX3221E，該芯片的工作電壓為3〜5.5V，靜態(tài)電流小于1μA，負載電流小于2mA，數(shù)據(jù)傳輸率為120kbps，外圍元件少，僅需4個0.1μf的外接電容，且該芯片的體積也是同類產(chǎn)品中體積最小的，MAX2321E還具有±15KV ESD保護功能,接口電路見圖3。

圖3 智能轉(zhuǎn)換接口電路

RS-485接口
RS-485接口芯片用于完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485接口電平的任務，本轉(zhuǎn)換器采用MAX3485作為RS-485接口芯片，該芯片的主要技術參數(shù)為：工作電源為3~3.6V,工作電流1mA，數(shù)據(jù)傳輸率為12Mbps。當驅(qū)動60Ω負載時（RS-485網(wǎng)絡終端匹配電阻120Ω的并聯(lián)值）峰值電流可達50mA。
防雷保護
通信線路中瞬態(tài)電壓干擾是威脅通信接口安全的主要因素，而雷電波保護是必不可少的，為保證通信網(wǎng)絡的安全，這里采用瞬態(tài)電壓抑制器TVS作為保護器件，該器件可承受高達數(shù)KV的脈沖電壓和數(shù)十至數(shù)百安培的浪涌電流，瞬間承受功率高達數(shù)千瓦，本轉(zhuǎn)換器在RS-485的發(fā)送端及接收端采用了3只TVS，分別對線路之間和線路對地間的瞬態(tài)電壓干擾進行抑制，可避免雷電對通信網(wǎng)絡的破壞。
單片機
本轉(zhuǎn)換器采用Microchip公司的微功耗小體積單片機PIC12C508A，其主要參數(shù)為；工作電壓2.7〜5V，工作電流小于1mA，6根I/O口線,512字節(jié)ROM。PIC12C058A完成的功能是讀取波特率設置開關的數(shù)值及串行數(shù)據(jù)位數(shù)開關的狀態(tài)，從而根據(jù)開關的數(shù)值或狀態(tài)完成收發(fā)數(shù)據(jù)的自動轉(zhuǎn)換控制功能，各引腳功能如下：GP0、GP1、GP4、GP5四個引腳設定對應于16種常用的波特率（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)送和停止發(fā)送數(shù)據(jù)，GP1為復用輸出引腳用于控制MAX3485的接收使能，GP0也為復用輸出引腳，用來控制MAX3485的發(fā)送使能。
本轉(zhuǎn)換器使用的最大電流為各芯片峰值工作電流之和，即：
IΣ=0.12+2.0+50.0+1.0=53.12mA，此電流小于DC-DC轉(zhuǎn)換器的最小輸出電流54.4mA，從而證明了串口竊電技術是完全可行的。
軟件設計
單片機軟件部分主要完成功能如下：上電后單片機將所有的I/O設為輸入，并讀入I/O狀態(tài)且保存到寄存器中，接下來將GP0和GP1設定為輸出狀態(tài)并將其設為低電平輸出，即RS-485口處于禁止發(fā)送接收允許狀態(tài)，CPU根據(jù)數(shù)據(jù)開關的設定值，確定出用戶設定的波特率和串行數(shù)據(jù)格式，從而預置內(nèi)部的延時設定，CPU檢測到UART開始通信后，打開發(fā)送使能，經(jīng)內(nèi)部預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，否則關閉發(fā)送使能，結(jié)束當前通信，重新檢測UART起始位。
結(jié)束語
本轉(zhuǎn)換器采用串口竊電技術而省略了外部電源，采用新型低電壓、低功耗器件設計，一方面支持了串口竊電技術，另一方面又簡化了電路設計，降低了成本，同時該轉(zhuǎn)換器還具有很強的防雷電沖擊能力使得本轉(zhuǎn)換器具有很高的實用價值，在擴展基于RS-485總線的通信網(wǎng)絡分支及延伸RS-232總線通信距離方面均可得到廣泛的應用。

參考文獻
1.張毅剛主編.MCS-51單片機應用設計.哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學出版社.1997.12
2.MAXIM NEW RELEASES DATA BOOK VOLUME Ⅴ.1996
3.MAXIM 1995 新產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊.第四卷.1995
4.MAXIM NEW RELEASES DATA BOOK VOLUME Ⅵ.1997

Design of intelligent send/receive converter for RS-232 / RS-485 interface

Abstract：This paper introduces an intelligent converter transforming RS-232 interface into RS-485 one, which adopts the technology of stealing current through serial port to gain power, and carries out the automatic control by single chip computer. The device methods of hardware and software for the converter are given in the article.

Key word: interface convert steal current through serial port low power consume