RS-232至RS-485/RS-422接口的智能转换器

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日  期 2002-8-9
作  者 MAXIM北京办事处北京8328信箱 刘武光
关键词 RS-232 RS-485 RS-422 接口 智能转换器
摘  要 详细地介绍了如何从RS-232信号线上高效率地产生电源，如何实现RS-232接口与RS-485RS-422接口的智能转换，同时，也给出了具体的硬件设计及软件设计方法。  
内  容     随着计算机在工业的广泛应用，控制局域网络也深入应用到各行各业之中。现行的诸多控制系统，若采用单机控制方式已越来越难以满足设备控制的要求，因为往往我们所控制的设备只是整个系统的一个基本单元，它既需要外部输入一些必要的信息，同时，也需要向外部输出自身的运行参数和状态。所有这些，都要求我们采用控制网络技术，将众多设备有机地连成一体，以保证整个系统安全可靠地运行。
    目前，在我国应用的现场总线中，RS-485RS-422使用最为普遍。当用户要将基于标准的RS-232接口设备，如PC机，连接至由RS-485RS-422构成的通讯网络时，则必须作RS-232和RS-485RS-422之间的电平转换。传统的做法是在设备内扩展一个通讯适配卡，由通讯适配卡实现电平转换，内部主机再通过并行总线读出或写入数据。显然，这种设计方法存在下列缺点：
· 由于适配卡是基于某一种总线标准扩展的，而不是基于RS-232电平标准，所以其应用范围受到限制，只能一种适配卡适用一种总线（如ISA适配卡不可能插入STD总线或用户自定义的总线），其通用性较差；
· 虽然实现的仅仅是电平转换，但是由于需要考虑与扩展总线的接口和增加一个标准的UART，并且需要占用系统的其它宝贵资源，使硬件和软件变得过于复杂；
· 复杂的硬件设计大大增加了元器件的数目和电路板面，使适配卡的成本过高；
· 由于采用内置插卡方式，使变更通信方式比较麻烦，如将半双工通信方式设置为全双工方式等。另外，维修和测试也比较麻烦；
· 对于现有的基于RS-232的设备，在无法变动系统软件和硬件的情况下，显然适配卡无法将这些设备连成基于RS-485或RS-422通信网络的分布式系统。
    为了克服上述缺点，同时考虑到RS-232接口的自身特点，我们设计了一种小巧的、无须外部供电的智能收发转换器，实现RS-232和RS-485RS-422之间的电平转换。

１ 功能描述及结构框图
    本智能转换器作为一个独立的电平转换控制器，涉及线上取电、发送和接收状态的智能切换、通信方式设置、RS-232电平与RS-485RS-422电平之间的转换等方面。具体描述如下：
· 从RS-232接口上取电
    由于不采用外部供电方式，则必须从RS-232接口线取电，为内部元器件供电。我们知道，标准的RS-232接口定义中，TXD、RTS和DTR是RS-232电平输出。设计一个DC-DC转换器，从这些信号上，能够为系统提供一定的电源功率。
· 低功耗微处理器
    微处理器通过监测TXD信号的变化，决定是否允许数据发送和数据接收。另外，有关通信方式、波特率和半／双工工作方式选择也是通过TXD信号，或I/O口来设定的。
· RS-232电平与TTL电平之间的转换
· RS-485RS-422电平与TTL电平之间的转换

２ 工作原理
    该智能转换器必须解决两个关键问题，即如何从RS-232线上获得电源和RS-485RS-422接口驱动所需的功率，和如何智能控制RS-485RS-422的收发使能。
2。1 电源方案
    标准的RS-232定义中，有三个发送信号：TXD，RTS和DTR。每根线上的典型输出电流为±8mA／±12V，考虑到TXD为负电平（处于停止发送，或发送数字“１”时）的时间较多，因而电源转换决定采用负电源输入，以最大限度地增加电源输入功率，升压至所需的工作电源。从RTS和DTR上输入功率＝２×８×12mW=192mW。另外，由于通讯为间歇工作方式，所以输入电源端的储能电容和TXD（为负电平时）能够补充一定的功率。假设，我们设计一个效率为85%、输出电压为3V的DC-DC转换器，则输出电流可达54.5mA。
2.2 智能控制收发使能
    RS-232通讯接口采用电平方式传输，适用于点－点通讯，无须专门的收发使能控制；而对于RS-485RS-422通讯接口则不同，由于采用差分电平方式传输，且允许在一条通讯总线上挂接多个节点，必然要求各个节点能够独立地控制总线驱动器关断或打开，保证不会影响到其它节点的正常通讯。为了简化与转换器RS-232接口端相连的软件工作，更重要的是为了提高本转换器的通用性和灵活性（即插即用，无须要求用户更改任何相关软件和硬件），本转换器内置微处理器，实现收发使能的智能控制。具体方法：微处理器在检测到UART的通信起始位后，打开发送使能，允许串行数据发送至RS-485RS-422通讯网络。微处理器根据所设定的波特率延时至UART停止位发送一半时（例如11位格式时，延时10.5T,）,开始检测是否有下一个起始位到来。在时间T内，若有下一个起始位到来，则保持发送状态，否则将关闭发送使能，结束数据发送。

３ 硬件设计
    由于本转换器供电来自RS-232信号线，其输入功率受到限制，因而在本设计中将尽可能地采用+3V供电的低功耗器件，保证总电流小于54.4mA。主要包括4个部分：DC-DC转换器、RS-232接口、RS-485RS-422接口和微处理器。分别介绍如下：
3.1 DC-DC转换器
    显然，还没有一个DC-DC转换器能