串行通信RS232/RS485轉(zhuǎn)換器

1 引言

以單片機(jī)為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，以附加電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中。目前廣泛使用的單片機(jī)產(chǎn)品（如Intel的8031、Armel的89C51、 GMS97C51等系列單片機(jī)）芯片中都集成了串行通信接口。使用這些串行通信接口和RS485接口驅(qū)動(dòng)芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，從而將多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。這種RS485網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有接口簡(jiǎn)單、靈活性好、價(jià)格低、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。

目前，在很多的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，為了克服單片機(jī)的功能不足，都引入了PC機(jī)，并采用主從式結(jié)構(gòu)模式，即以PC機(jī)為主機(jī)，分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)為從機(jī)而組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

一般的PC機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn)RS232口，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：RS232 采用負(fù)邏輯，即：邏輯“1”為-5V～-15V，邏輯“0”為+5V～+15V；另外，驅(qū)動(dòng)器最大只允許有2500pF的電容負(fù)載，且通信距離受此電容限制。因此，150pF/m的通信電纜的最大通信距離為15m，若每米電纜的電容量有所減少，則通信距離即可增長(zhǎng)。RS232傳輸距離較短的另一原因是其屬于單端信號(hào)傳送，這種傳送存在共地噪聲且不能抑制共模干擾，因此，RS232一般用于20m以內(nèi)的通信。

而對(duì)于大多數(shù)分布式控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其通信距離一般為幾十米到幾千米不等，顯然，RS232接口不能滿足此類(lèi)系統(tǒng)的要求，目前廣泛采用的是RS485收發(fā)器。 RS485收發(fā)器采用的平衡發(fā)送和差分接收具有抑制共模干擾的能力，加上收發(fā)器具有很高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)200mV的電壓，因此，傳輸信號(hào)可在千米以外得到恢復(fù)。

在這種分布式控制系統(tǒng)中，通信是系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的問(wèn)題。如何有效、可靠的實(shí)現(xiàn)RS232與RS485之間的轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信的前提。

目前，介紹電平轉(zhuǎn)換器的文獻(xiàn)較多，比如：RS232與TTL之間的轉(zhuǎn)換、RS485與TTL之間的轉(zhuǎn)換、TS422與RS485之間的轉(zhuǎn)換等等，而對(duì) RS232與RS485直接轉(zhuǎn)換的電路則介紹的很少。目前，電子產(chǎn)品市場(chǎng)上已有現(xiàn)成的RS232/RS485轉(zhuǎn)換器銷(xiāo)售，但性價(jià)比很低，本文介紹一種低價(jià)格、帶光電隔離、簡(jiǎn)單可靠且實(shí)用的RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，以及新的一種TTL與RS485之間的轉(zhuǎn)換芯片。

2 SN75LBC184芯片介紹

SN75LBC184是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的一種RS485接口芯片，它使用單一電源Vcc，電壓在3.0～5.5V范圍內(nèi)均能正常工作，可以完成TTL與RS485之間轉(zhuǎn)換。其引腳圖如圖2所示。

該芯片與普通的RS-485收發(fā)器相比有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，那就是片內(nèi)A、B引腳接有高能量瞬變干擾保護(hù)裝置（如圖3所示），可以承受峰值為400W（典型值）的過(guò)壓瞬變。由于引起過(guò)壓瞬變的來(lái)源通常是雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開(kāi)關(guān)干擾等，因而它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對(duì)于一些環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，即當(dāng)輸入端開(kāi)路時(shí)，其輸出為高電平，這樣，即使在接收器輸入端電纜有開(kāi)路故障時(shí)，也不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（≥24kΩ），故可在總線上連接64個(gè)收發(fā)器。其工人原理如圖4所示。其中：圖4（a）表示在C=1時(shí)，發(fā)送使能端DE為高電平，接收使能端RE為低電平，SN75LBC184作為發(fā)送器；而圖4（b）則表示C=0時(shí)，接收使能RE為高電平，發(fā)送使能端DE為低電平，SN75LBC184作為接收器。

3 RS232/RS485的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

目前，大部分PC機(jī)的通信端口為9芯D型插頭，在實(shí)際使用PC機(jī)進(jìn)行串行通信時(shí)， 通常只使用其中的RTS、RXD、TXD與GND四個(gè)端口，以構(gòu)成簡(jiǎn)易的四線通信線路。筆者采用這種方案巧妙地利用光電耦合器的隔離特性和RS232工作時(shí)RTS線與TXD線之間的電平關(guān)系，給出了簡(jiǎn)單、可靠的電路設(shè)計(jì)。具體轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

該電路使用了三片光電耦合器TLP521-1進(jìn)行隔離，這使PC機(jī)與SN75LBC184之間完全沒(méi)有了電的聯(lián)系，從而提高了工作的可靠性。

當(dāng)RS232的RTS端為邏輯電平1(-12V)時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出端為T(mén)TL邏輯電平1（+5V），此時(shí)選中RS485的DE端允許RS485接收，這樣，RS232 的TXD端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)（工作邏輯與RTS端相似）。當(dāng)RS232的RTS端為邏輯電平0（+12V）時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出端為T(mén)TL邏輯電平0(0V)，此時(shí)選中RS485的RE端允許RS485發(fā)送。當(dāng)RS485的R端的輸出為邏輯電平1時(shí)，光電耦合器發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，這樣，在RS232輸出停止時(shí)，其TXD電平為-12V，電容被充電到-12V以使其輸出也變成-12V，即邏輯電平1；當(dāng)其輸出為邏輯電平0時(shí)，光電耦合器發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，這時(shí)，其輸出為+5V，也在RS232邏輯電平0的范圍之內(nèi)，即為邏輯電平0。

4 結(jié)束語(yǔ)

將上述轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于分布式溫度采集和控制系統(tǒng)中時(shí)，可獲得較為滿意的轉(zhuǎn)換效果（已有應(yīng)用實(shí)例）。因此，在對(duì)下位機(jī)的實(shí)時(shí)性要求較高、通信的數(shù)據(jù)量不太大的分布式控制場(chǎng)合，這種低成本、高可靠性的RS232/RS485轉(zhuǎn)換器具有較大應(yīng)用價(jià)值。