基于AVR單片機(jī)的串行接口智能轉(zhuǎn)換器

由于RS-422、RS-485總線具有抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率高、通訊距離遠(yuǎn)、可以與多臺從機(jī)通訊等特點(diǎn)，所以在主從式多機(jī)通訊中，得到普遍應(yīng)用。

我們設(shè)計(jì)開發(fā)了一種以AT90S2343低功耗單片機(jī)為核心的外插式串行口智能轉(zhuǎn)換器，它把RS232串行口轉(zhuǎn)換至RS-422或RS-485串行口。它無須外部供電、并能自動(dòng)識別通訊波特率（1200－115.2K）和通訊方式（8位、9位方式），智能控制接收和發(fā)送電路與通訊總線的連接、在不改變現(xiàn)有軟件情況下，做到即插即用。

該轉(zhuǎn)換器且通用性強(qiáng)、性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的特點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控管理及集散控制的通訊系統(tǒng)中。筆者在電氣設(shè)備的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)中，應(yīng)用該轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對多臺數(shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)通訊，通訊性能穩(wěn)定可靠。

1、電路的整體結(jié)構(gòu)

智能轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)框圖如圖1所示，整個(gè)電路由4個(gè)部分組成。第一部分是DC-DC電源變換電路。它從PC機(jī)串行口的信號線上竊取電能，將其轉(zhuǎn)換成供智能轉(zhuǎn)換器使用的電源；第二部分是RS-232接口電路，它實(shí)現(xiàn)各信號的RS-232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換；第三部分是RS485/RS422接口電路，它實(shí)現(xiàn)通訊總線的RS485/RS422電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換；第四部分是以CPU為核心的智能控制電路，它通過監(jiān)測PC機(jī)的TXD發(fā)送信號，識別通信的波特率、通訊方式（10/11位方式）、智能控制通訊數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器用作RS485半雙工通訊方式時(shí)，須將發(fā)送器輸出和接收器輸入的同相、反相端分別用兩個(gè)跳線短接。

2  電路工作原理

2.1  DC-DC電源變換電路

由于RS232接口不提供電源，全部電路的供電只能從RS-232信號線中獲取。RS-232接口有DTR、RTS和TXD三個(gè)輸出信號，每個(gè)信號可提供輸出電流的典型值為±8mA。通用軟件不使用握手信號RTS和DTR，它們輸出為－12V。TXD信號在不發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)“1”的時(shí)，也輸出為－12V。為了增加電源轉(zhuǎn)換電路的輸出功率，電路中把DTR、RTS和TXD三個(gè)信號的－12V輸出作為電源變換電路的電源輸入。

由于沒有負(fù)電壓輸入轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定正電壓輸出的DC－DC轉(zhuǎn)換器，筆者在通用DC－DC轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)上，用IC芯片MAX761研制出具有輸入－12V電壓、＋5V穩(wěn)壓輸出的 DC－DC轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換效率＞85％。具體的電路如圖２所示。電路中MAX761是PFM（脈沖調(diào)頻方式）的DC-DC轉(zhuǎn)換控制器。最高調(diào)制頻率為300KHZ。LX是功率驅(qū)動(dòng)管（場效應(yīng)管）的漏極輸出端；REF是基準(zhǔn)電壓輸出端；LB是電壓采樣輸入端。MAX761控制器和電感L構(gòu)成自舉升壓電路，輸出電壓采樣網(wǎng)絡(luò)由穩(wěn)壓管W1、晶體管T、和電阻R1、R2組成。采樣電壓經(jīng)LB輸入控制器，通過改變調(diào)制脈沖的頻率來穩(wěn)定輸出電壓。電路的穩(wěn)壓工作原理如下：    

輸出電壓VOUT降低時(shí)，三極管T1的基極電流IEB減小，LB端的取樣電壓UR1（βIEB×R1×）減小，當(dāng)LB的取樣電壓（UR1）＜片內(nèi)基準(zhǔn)電壓時(shí)，控制信號以最高調(diào)制頻率的來控制功率驅(qū)動(dòng)管的開通與截止，當(dāng)功率驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通時(shí)，LX等于－12V，二極管D4處于截止?fàn)顟B(tài)，電流經(jīng)電感L流向LX，此時(shí)電感L儲(chǔ)存能量。當(dāng)功率驅(qū)動(dòng)管截止時(shí)，電感L釋放能量，反電動(dòng)勢產(chǎn)生的電流經(jīng)二極管D4向電容C4充電，從而使輸出電壓VOUT升高。

輸出電壓VOUT升高時(shí)，三極管T1的基極電流IEB增大，LB端的取樣電壓UR1（βIEB×R1×）增大，當(dāng)LB的取樣電壓（UR1）≥片內(nèi)基準(zhǔn)電壓時(shí)，控制信號控制功率驅(qū)動(dòng)管在一個(gè)完整調(diào)制的周期內(nèi)處于截止?fàn)顟B(tài)，由負(fù)載消耗使輸出電壓VOUT下降。             

通過以上的脈沖調(diào)頻方式的自舉升壓調(diào)節(jié)，使輸出電壓穩(wěn)定在＋5V。

輸出電壓由下式確定：
VOUT＝Vw1+Veb+Ib×R2≈Vw1+Veb ≈ 5 V

2.2 單片機(jī)智能控制工作原理RS485通訊方式是軟件通過收、發(fā)使能信號來控制數(shù)據(jù)的分時(shí)接收與發(fā)送，使用同一對差分通訊總線實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的半雙工通訊方式，而RS232通訊接口不能提供這樣的使能控制信號。但可以通過單片機(jī)對主機(jī)PC-TXD信號的監(jiān)測，準(zhǔn)確計(jì)算出傳送一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間，智能產(chǎn)生收、發(fā)使能信號控制數(shù)據(jù)的分時(shí)接收與發(fā)送，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的半雙工通訊。以AT90S2343低功耗單片機(jī)為核心的串行口智能轉(zhuǎn)換器的具體電路如圖3所示。

單片機(jī)對傳送一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間的識別方法如下：當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測到主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的起始位時(shí)，開始測量PC－TXD信號的每個(gè)脈沖的脈沖寬度，計(jì)算出對應(yīng)的波特率，若均屬于通用波特率集合，它們中的最高波特率即是通訊波特率。否則，該脈沖寬度是發(fā)送兩幀數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間，電平負(fù)躍變的時(shí)刻是起始位的開始時(shí)刻，開始重新測量每個(gè)脈沖的脈沖寬度。當(dāng)通訊波特率確定后，檢測第十位的電平狀態(tài)，若是低電平，則可確定是11位通訊方式。否則是10位通訊方式。由通訊波特率和通訊方式計(jì)算出傳送一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間。

通訊接口接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的智能控制過程如下：每當(dāng)監(jiān)測到主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的起始位時(shí)，單片機(jī)輸出收、發(fā)使能信號（RE=1、DE=1），控制收、發(fā)電路禁止接收、允許發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485通訊總線上，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間等于發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間時(shí)，單片機(jī)輸出收、發(fā)使能信號（RE=0、DE=0），控制收、發(fā)電路允許接收、禁止發(fā)送數(shù)據(jù)。此時(shí)，主機(jī)可以接收RS485通訊總線上的從機(jī)數(shù)據(jù)。當(dāng)單片機(jī)又監(jiān)測到主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的起始位時(shí)，重復(fù)上述的發(fā)送過程。

在通訊過程中，波特率測量和收、發(fā)數(shù)據(jù)智能控制必須同步進(jìn)行，否則就會(huì)造成通訊數(shù)據(jù)的丟失。

為適應(yīng)高速通訊的要求，電路中采用美國Atmel 公司的AT90SL2343單片機(jī)。它是目前最新的單片機(jī)系列之一，其突出特點(diǎn)是執(zhí)行速度高，片內(nèi)硬件資源豐富。使用CPU內(nèi)部的電源監(jiān)測和可編程看門狗定時(shí)器，使電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

單片機(jī)I/O端口的分配和功能：PB3輸入，監(jiān)測主機(jī)PC－TXD信號；PB0輸出，接收使能信號；PB4輸出，發(fā)使能信號；PB2輸入，由K1設(shè)置雙工或半雙工通訊方式。

3 軟件設(shè)計(jì)   

3.1 程序流程框圖

串行口智能擴(kuò)展卡的程序流程圖如圖4所示。

3.2 半雙工通訊方式的軟件設(shè)計(jì)                                         

在RS485半雙工通訊方式下，首先允許接收、禁止發(fā)送數(shù)據(jù)。在檢測到PC-TXD信號的數(shù)據(jù)起始位之后，通訊接口禁止接收、允許發(fā)送數(shù)據(jù)，并開始計(jì)時(shí)。通過檢測數(shù)據(jù)信號的每個(gè)脈沖寬度，確定其波特率和數(shù)據(jù)的發(fā)送位數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出每幀數(shù)據(jù)允許發(fā)送的時(shí)間。當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間大于或等于該時(shí)間時(shí)，該通訊接口禁止發(fā)送并允許接收數(shù)據(jù)。在接收狀態(tài)下，CPU重復(fù)檢測發(fā)送數(shù)據(jù)的起始位。當(dāng)檢測到發(fā)送數(shù)據(jù)的起始位時(shí)，重復(fù)上述的數(shù)據(jù)發(fā)送的控制過程。

3.3 雙工通訊方式軟件設(shè)計(jì)

在RS422雙工通訊方式下，接收和發(fā)送使能信號始終有效，同時(shí)允許接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。                             

4 結(jié)束語

電路結(jié)構(gòu)簡單、無須外部供電，筆者將它制作成串行口轉(zhuǎn)換器直接插接在串行口插口上即可。它具有通用性強(qiáng)、性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的特點(diǎn)。該電路使用了電源監(jiān)測和可編程的看門狗監(jiān)測定時(shí)器，使轉(zhuǎn)換器具有較強(qiáng)的抗干擾能力。該轉(zhuǎn)換器可廣泛應(yīng)用于主從式多機(jī)通訊系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)
1． 吳秀清等，微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.02
2． 李勛，耿德根，AVR單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，2002.6