R232接口.doc

RS232接口
目录
简介
接口定义
1. RS232（DB9）
2. RS232（DB25）
接口电平
简介
接口定义
1. RS232（DB9）
2. RS232（DB25）
接口电平
展开
编辑本段简介
　　RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。
　　该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定随着设备的不断改进，出现了代替DB25的DB9接口，现在都把RS232接口叫做DB9。
　　RS-232是现在主流的串行通信接口之一。
　　由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：
　　（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
　　（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；因此在“南方的老树51CPLD开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。
　　（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
　　（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。
编辑本段接口定义
RS232（DB9）
　　1 DCD 载波检测
　　2 RXD 接收数据

接口说明
3 TXD 发送数据
　　4 DTR 数据终端准备好
　　5 SG 信号地
　　6 DSR 数据准备好
　　7 RTS 请求发送
　　8 CTS 清除发送
　　9 RI 振铃提示
RS232（DB25）
　　1 频蔽地线
　　2 TXD 发送数据
　　3 RXD 接收数据
　　4 RTS 请求发送
　　5 CTS 允许发送
　　6 DSR 数据准备好
　　7 SG 信号地
　　8 DCD 载波检测
　　9 发送返回(+)
　　10 未定义
　　11 数据发送(-)
　　12~17 未定义
　　18 数据接收(+)
　　19 未定义
　　20 数据终端准备好 DTR
　　21 未定义
　　22 振铃 RI
　　23~24 未定义
　　25 接收返回(-)
编辑本段接口电平
　　RS232采用负逻辑电平：
　　-15~-3：逻辑1；
　　+15~+3：逻辑0；
　　电压值通常在7V左右

R232接口
编辑本段概述
　　        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。
编辑本段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。
编辑本段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RS232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105T,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。
编辑本段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：
　　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。
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。
编辑本段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。