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RS-232至RS-485RS-422接口的智能转换器
[正文]: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。
关键词： rs-232 rs-485rs-422 接口 智能转换器 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电平之间的转换其内部电路结构示意图如图１所示。
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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,t=1/fbavd）,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
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显然，还没有一个dc-dc转换器能够直接实现-12v输入，+3v输出的ic。
但是，如果我们利用现有的ic，稍作改动，即可实现该功能。
图２所示的dc-dc转换电路，就是利用max761实现的-12v输入，+3v输出、效率高于85%的升压dc-dc转换器。
该转换器实际输入电压范围为-2.5～-13.5v，静态工作电流仅i1=120μa，具有输出电流大于54.5ma的能力（如果前端输入功率未受到限制，则输出电流可达300ma以上）。
由于max761采用高效率的pfm控制方式,而且在本电路中,开关损耗较小因为开关电流小于负载电流所以能够达到比max761典型应用更高的效率max761典型应用效率为86%。
输出电压由下列方程确定：
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选取r2=100kω，根据所需要的输出电压，计算r1。
3.2 rs-232接口本转换器只需要一片单发／单收rs-232接口就可以满足要求，但必须要求＋3v单电源工作、工作电流尽可能地小的接口电路。
max3221/nax3221e（带±15kvesd保护）刚好能够满足上述要求，具有1tx/1rx，其工作电压+3～+5.5v,仅1μa的静态电流，负载电流小于i2=2ma。
3.3 rs-485rs-422接口为兼顾rs-485rs-422接口中半双工和全双工的要求，本转换器采用max3491作为rs-485rs-422接口电路，其主要指标为：+3～+3.6v单电源工作、工作电流1ma驱动60ω负载时（半双工时，两个120ω终端匹配电阻的并联值），峰值电流可达i3=3v/60ω=50ma。
半双工和全双工工作方式是通过跳线器来设置的，见图３。
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3.4 微处理器在本转换器中，微处理器所要完成的任务很简单，仅需要几根i/o线即可实现参数的设置和发送使能的自动控制。
实际选择中，采用microchip公司的pic12c508a，其主要指标为：工作电流i4＜1.0ma工作电压3v，频率4mhz)6条i/o线，512kbyte的rom。
其中，gp0、gp1、gp4和gp5四个引脚设定对应于16种常用波特率（300、600、1200至38.4kbps等8种，以及900、1800至115．4kbps等８种）的延时时间；gp3对应于10位或11位串行数据格式；gp2为txd输入，用来检测uart何时发送和停止数据；gp1为复用输出引脚，用来控制max3491的发送使能控制端；gp0也为复用输出引脚，用来控制max3491的接收使能。
详见图３。
本转换器的最大电流总和＜i1+i2+i3+i4=0.12+2.0+50.0+1.0=53.12ma，小于dc-dc转换器的最小输出电流54.4ma，因而通过rs-232信号线为本电路供电是完全可行的。
实际上，由于输入电源端的储能电容e1和txd（为负电平时）能够为电路补充一定的功率，所以设计上留有较大的电源功率裕量。
４ 软件设计本转换器的软件设计较为简单，微处理器复位后，将所有的i/o口设为输入，并读入所有的i/o状态，保存到寄存器；将gp2和gp3改设为输出状态，并输出低电平，使rs-485rs-422接口处于禁止发送、允许接收的状态。
cpu根据gpi0的初始状态，确定出用户设定的通讯波特率和串行数据格式，从而预置内部的延时设定。
cpu检测到uart开始通讯后，打开发送使能，经内部预置延时后，开始在一个位宽时间内检测是否有下一个起始位到来，如检测到，则重新延时等待；否则，关闭发送使能，结束当前通讯，重新检测uart的起始位。
对于半双工通讯方式，允许发送使能前应该关闭接收使能，而在发送使能关闭后才打开接收使能。
对于全双工通讯方式，其接收使能可以不受此信号控制，而可以直接通过跳线接地，始终允许接收。
总之，在本rs-232到rs-485rs-422接口的智能转换器设计中，除了本身这个产品具有较高的应用价值外，文中所涉及的rs-232信号线供电方案，由于其高效率、大电流输出能力，在许多基于rs-232接口的应用中都能够很好地满足应用；另外，这种智能控制rs-485rs-422接口的收发使能的思想，在扩展基于rs-485rs-422接口的网络分支及延伸通讯距离都能够得到很好的应用。
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