符合美國電子工業聯盟(EIA)制定的串列數據通信的接口標準,原始編號全稱是EIA-RS-232232,).
基本介紹
- 中文名：232接口
- 外文名：UART
- RS232：串口
- (簡稱：RS232
標準簡介,功能結構,工作原理,硬體設計,軟體設計,
標準簡介
隨著計算機在工業的廣泛套用，控制區域網路（CAN）也深入套用到各行各業之中。現行的諸多控制系統，若採用單機控制方式已越來越難以滿足設備控制的要求，因為往往我們所控制的設備只是整個系統的一個基本單元，它既需要外部輸入一些必要的信息，同時，也需要向外部輸出自身的運行參數和狀態。所有這些，都要求我們採用控制網路技術，將眾多設備有機地連成一體，以保證整個系統安全可靠地運行。 目前，在我國套用的現場匯流排中，RS-485RS-422使用最為普遍。當用戶要將基於標準的RS-232接口設備，如PC機，連線至由RS-485RS-422構成的通訊網路時，則必須作RS-232和RS-485RS-422之間的電平轉換。傳統的做法是在設備內擴展一個通訊適配卡，由通訊適配卡實現電平轉換，內部主機再通過並行匯流排讀出或寫入數據。顯然，這種設計方法存在下列缺點：
R232接口· 由於適配卡是基於某一種匯流排標準擴展的，而不是基於RS-232電平標準，所以其套用範圍受到限制，只能一種適配卡適用一種匯流排（如ISA適配卡不可能插入STD匯流排或用戶自定義的匯流排），其通用性較差；
· 雖然實現的僅僅是電平轉換，但是由於需要考慮與擴展匯流排的接口和增加一個標準的UART，並且需要占用系統的其它寶貴資源，使硬體和軟體變得過於複雜；
· 複雜的硬體設計大大增加了元器件的數目和電路板面，使適配卡的成本過高；
· 由於採用內置插卡方式，使變更通信方式比較麻煩，如將半雙工通信方式設定為全雙工方式等。另外，維修和測試也比較麻煩；
為了克服上述缺點，同時考慮到RS-232接口的自身特點，我們設計了一種小巧的、無須外部供電的智慧型收發轉換器，實現RS-232和RS-485RS-422之間的電平轉換。
功能結構
本智慧型轉換器作為一個獨立的電平轉換控制器，涉及線上取電、傳送和接收狀態的智慧型切換、通信方式設定、RS-232電平與RS-485RS-422電平之間的轉換等方面。具體描述如下：
· 從RS-232接口上取電
由於不採用外部供電方式，則必須從RS-232接口線取電，為內部元器件供電。我們知道，標準的RS-232接口定義中，TXD、RTS和DTR是RS-232電平輸出。設計一個DC-DC轉換器，從這些信號上，能夠為系統提供一定的電源功率。
· 低功耗微處理器
微處理器通過監測TXD信號的變化，決定是否允許數據傳送和數據接收。另外，有關通信方式、波特率和半/雙工工作方式選擇也是通過TXD信號，或I/O口來設定的。
· RS-232電平與TTL電平之間的轉換
· RS-485RS-422電平與TTL電平之間的轉換
其內部電路結構示意圖如圖1所示。
工作原理
該智慧型轉換器必須解決兩個關鍵問題，即如何從RS-232線上獲得電源和RS-485RS-422接口驅動所需的功率，和如何智慧型控制RS-485RS-422的收發使能。
2.1 電源方案
標準的RS-232定義中，有三個傳送信號：TXD，RTS和DTR。每根線上的典型輸出電流為±8mA/±12V，考慮到TXD為負電平（處於停止傳送，或傳送數字“1”時）的時間較多，因而電源轉換決定採用負電源輸入，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，由於通訊為間歇工作方式，所以輸入電源端的儲能電容和TXD（為負電平時）能夠補充一定的功率。假設，我們設計一個效率為85%、輸出電壓為3V的DC-DC轉換器，則輸出電流可達54.5mA。
2.2 智慧型控制收發使能
RS-232通訊接口採用電平方式傳輸，適用於點－點通訊，無須專門的收發使能控制；而對於RS-485RS-422通訊接口則不同，由於採用差分電平方式傳輸，且允許在一條通訊匯流排上掛接多個節點，必然要求各個節點能夠獨立地控制匯流排驅動器關斷或打開，保證不會影響到其它節點的正常通訊。為了簡化與轉換器RS-232接口端相連的軟體工作，更重要的是為了提高本轉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軟體和硬體），本轉換器內置微處理器，實現收發使能的智慧型控制。具體方法：微處理器在檢測到UART的通信起始位後，打開發送使能，允許串列數據傳送至RS-485RS-422通訊網路。微處理器根據所設定的波特率延時至UART停止位傳送一半時（例如11位格式時，延時10.5T,T=1/Fbavd）,開始檢測是否有下一個起始位到來。在時間T內，若有下一個起始位到來，則保持傳送狀態，否則將關閉傳送使能，結束數據傳送。
硬體設計
由於本轉換器供電來自RS-232信號線，其輸入功率受到限制，因而在本設計中將儘可能地採用+3V供電的低功耗器件，保證總電流小於54.4mA。主要包括4個部分：DC-DC轉換器、RS-232接口、RS-485RS-422接口和微處理器。分別介紹如下：
3.1 DC-DC轉換器
顯然，還沒有一個DC-DC轉換器能夠直接實現-12V輸入，+3V輸出的IC。但是，如果我們利用現有的IC，稍作改動，即可實現該功能。圖2所示的DC-DC轉換電路，就是利用MAX761實現的-12V輸入，+3V輸出、效率高於85%的升壓DC-DC轉換器。該轉換器實際輸入電壓範圍為-2.5～-13.5V，靜態工作電流僅I1=120μA，具有輸出電流大於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300mA以上）。由於MAX761採用高效率的PFM控制方式,而且在本電路中,開關損耗較小?因為開關電流小於負載電流 ?所以能夠達到比MAX761典型套用更高的效率MAX761典型套用效率為86%。輸出電壓由下列方程確定：
選取R2=100KΩ，根據所需要的輸出電壓，計算R1。
3.2 RS-232接口
本轉換器只需要一片單發/單收RS-232接口就可以滿足要求，但必須要求+3V單電源工作、工作電流儘可能地小的接口電路。MAX3221/NAX3221E（帶±15kVESD保護）剛好能夠滿足上述要求，具有1TX/1RX，其工作電壓+3～+5.5V,僅1μA的靜態電流，負載電流小於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，本轉換器採用MAX3491作為RS-485RS-422接口電路，其主要指標為：+3～+3.6V單電源工作、工作電流1mA?驅動60Ω負載時（半雙工時，兩個120Ω終端匹配電阻的並聯值），峰值電流可達I3=3V/60Ω=50mA。半雙工和全雙工工作方式是通過跳線器來設定的，見圖3。
3.4 微處理器
在本轉換器中，微處理器所要完成的任務很簡單，僅需要幾根I/O線即可實現參數的設定和傳送使能的自動控制。實際選擇中，採用Microchip公司的PIC12C508A，其主要指標為：工作電流I4<1.0mA?工作電壓3V，頻率4MHz)6條I/O線，512kByte的ROM。其中，GP0、GP1、GP4和GP5四個引腳設定對應於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）的延時時間；GP3對應於10位或11位串列數據格式；GP2為TXD輸入，用來檢測UART何時傳送和停止數據；GP1為復用輸出引腳，用來控制MAX3491的傳送使能控制端；GP0也為復用輸出引腳，用來控制MAX3491的接收使能。詳見圖3。
本轉換器的最大電流總和<I1+I2+I3+I4=0.12+2.0+50.0+1.0=53.12mA，小於DC-DC轉換器的最小輸出電流54.4mA，因而通過RS-232信號線為本電路供電是完全可行的。實際上，由於輸入電源端的儲能電容E1和TXD（為負電平時）能夠為電路補充一定的功率，所以設計上留有較大的電源功率裕量。
軟體設計
本轉換器的軟體設計較為簡單，微處理器復位後，將所有的I/O口設為輸入，並讀入所有的I/O狀態，保存到暫存器；將GP2和GP3改設為輸出狀態，並輸出低電平，使RS-485RS-422接口處於禁止傳送、允許接收的狀態。CPU根據GPI0的初始狀態，確定出用戶設定的通訊波特率和串列數據格式，從而預置內部的延時設定。CPU檢測到UART開始通訊後，打開發送使能，經內部預置延時後，開始在一個位寬時間內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，關閉傳送使能，結束當前通訊，重新檢測UART的起始位。對於半雙工通訊方式，允許傳送使能前應該關閉接收使能，而在傳送使能關閉後才打開接收使能。對於全雙工通訊方式，其接收使能可以不受此信號控制，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接口的智慧型轉換器設計中，除了本身這個產品具有較高的套用價值外，文中所涉及的RS-232信號線供電方案，由於其高效率、大電流輸出能力，在許多基於RS-232接口的套用中都能夠很好地滿足套用；另外，這種智慧型控制RS-485RS-422接口的收發使能的思想，在擴展基於RS-485RS-422接口的網路分支及延伸通訊距離都能夠得到很好的套用。
