自动装置中串行通讯接口电路

 

杨彦杰,陆俭国,张文玲,傅仲文

 

(河北工业大学,天津  300130)

 

[摘要]本文分析了自动装置中三种常用的串行总线接口电路的设计方案,阐述了接口电路设计过程中应注意的问题,给出了三种总线的相互转换电路,该电路无需RTS信号即可实现多点网络通讯。该电路已在实际自动化装置中得到成功应用。

[关键词]自动装置;串行通讯;接口设计

 

 

1 引言

随着微机技术的应用,在各种自动化装置中一般都要求配备串行通讯口,以便于与计算机相联或与其他设备组成网络。如何设计串行通讯口来满足大多数用户的要求,是每一个设计者必须要面对的问题。本文对常用的三种接口标准RS-232C、RS-422、RS-485进行分析和研究,并给出其接口电路设计和相互转换的方法。

2 接口电路设计

(1)RS-232C接口电路设计

RS-232C标准(协议)是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。目前广泛用于计算机与终端或外设之间的近端连接。这个标准定义了22根信号线,在微型计算机中只采用了其中的9根线,在自动装置中一般采用3根信号线即能满足要求,即数据发送(TxD)信号、数据接收(RxD)信号和信号地。

RS-232C在电气特征上采用负逻辑,即逻辑1为3~15V,逻辑0为+3~+15V。

RS-232C信号传输由于采用传输信号线与信号地之间的信号电压差,传输速率只能达到20kbit/s,最大传输距离仅为15m,一般用于点对点通讯。

在自动装置中,核心控制芯片多为单片机(如8051,80C196),在单片机上一般都有RxD、TxD信号线,它们为TTL电平,要满足RS-232C的电气特征,必须加转换电路。以前的转换方法是采用MC1488和MC1489芯片外加±12电源,现在已有很多为RS-232C标准生产的专用驱动芯片,如MAX232系列、TC232、ICL232、AD232等,它们在单5V供电条件下,将0/5V(TTL电平)转换为+10V/-10V(RS-232电平),将+10V/-10V(RS-232电平)转换为0/5V(TTL电平),能直接代替传统的接口芯片MC1488和MC1489,并省去±12V电源,使用极为方便。

 


 

21为典型的RS-232接口电路,接口芯片选用MAX202E,倍压电路所需外接电容仅为01μF,并且具有±15kV ESD(静电放电)保护,在插拔电缆或是触摸到I/O端口线时,ESD保护可使接口器件免遭损坏。

随着芯片厂家的不断努力,RS-232接口芯片已具有更多功能,如低电压(3V)、低功耗、小尺寸、高速数据传输能力、自动关断/唤醒功能等。

(2)RS-422接口电路

RS-422接口标准主要是为克服RS-232接口标准的通讯距离短和传输速率慢而建立的。RS-422标准是一种以平衡方式传输的标准,每个信号以两根信号线来传输,逻辑电平是由两条传输线之间的电位差来决定的,RS-422电路由发送器,平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡发送器把逻辑电平变换成电位差,完成始端的信息传送;通过差动接收器,把电位差变为逻辑电平,实现终端的信息接收。RS-422标准由于采用了双线传输,大大增强了抗共模干扰的能力,因此最大数据速率可达10Mbit/s(传送15m时)。若传输速率降到90kbit/s时,则最大距离可达1200m。该标准规定电路中只许有一个发送器,可有多个接收器。该标准允许驱动器输出为±2V~±6V,接收器输入电平可以低至±200mV。

接口芯片可选用SN75179B、MAX488、MAX490等芯片,接口电路如图22所示。

 

 

在这种接口电路中,由于YZ输出不为三态输出,所以只能用于点对点通讯,如要组成多点总线传输网络,需要采用RS-485形式的接口电路。

(3)RS-485接口电路

RS-485接口标准是一种多发送器的标准,它扩展了RS-422的性能,它的传输距离和速度与RS-422一样,两者的输入输出参数有如下差别。

RS-422的驱动器共模输出电压-025~+6V,RS-485为-7~+12V。

RS-422的接收器共模输入电压-7~+9V,RS-485为-12~+12V。

RS-422只允许在同一条传输线上有一个发送器,10个接收器。RS-485在同一传输线上允许有32个发送器,32个接收器,因此,RS-485接口在多点网络通讯中得到了广泛应用。

满足RS-485要求的器件,片内装有争用保护电路。即如在同一时刻两个发送接通,则能防止器件损坏。

23为由带静电保护的MAX485E芯片组成的接口电路,在此电路中,控制器80C196需加一控制端P1.0来控制数据的接收和发送,当发送数据时,P1.0置1,数据发送完后,将P1.0置0,使接口电路随时处于接收(命令)状态。图中R1、R2可解决当所有发送端都不发送期间的总线悬空问题,防止接收端的误中断,R3为终端匹配电阻,当本装置位于网络的末端或首端时,需接通R3,以减小线路上传输信号的反射。

 

 

3 实际应用中的常见问题

3.1 抗雷击和抗静电冲击

接口芯片在使用、焊接或设备的运输途中都有可能受到静电的冲击而损坏。在传输线架设于户外的使用场合,接口芯片乃至整个系统还有可能遭致雷电的袭击。选用抗静电或抗雷击的芯片可有效避免此类损失,常见的芯片有MAX202E、MAX485E、MAX487E、MAX1487E等。

3.2 限斜率驱动

由于信号在传输过程中会产生电磁干扰和终端反射,使有效信号和无效信号在传输线上相互迭加,严重时会使通信无法正常进行。为解决这一问题,某些芯片的驱动器设计成限斜率方式,使输出信号边沿不要过陡,以不致于在传输线上产生过多的高频分量,从而有效地扼制干扰的产生。如MAX487、SN75LBC184等都具有此功能。

3.3 故障保护

众所周知,RS-485接口采用的是一种差分传输方式,各节点之间的通信都是通过一对(半双工)或两对(全双工)双绞线作为传输介质。根据RS-图41RS-232/RS-422/RS-485信号转换电路485的标准规定,接收器的接收灵敏度为±200mV,即接收端的差分电压200mV,接收器输出高电平;200mV时,接收器输出为低电平;介于±200mV之间时,接收器输出为不确定状态。在总线空闲即传输线上所有节点都为接收状态以及在传输线开路或短路故障时,若不采取特殊措施,则接收器可能输出高电平也可能输出低电平。一旦某个节点的接收器产生低电平就会使串行接收器(UART)找不到起始位,从而引起通信异常,解决此类问题方法有两种:

(1)使用带故障保护的芯片,它会在总线开路、短路和空闲情况下,使接收器的输出为高电平。确保总线空闲、短路时接收器输出高电平是由改变接收器输入门限来实现的。例如,MAX3080~MAX3089输入灵敏度为-50mV/-200mV,即差分接收器输入电压UA-B-50mV时,接收器输出逻辑高电平;如果UA-B-200mV,则输出逻辑低电平。当接收器输入端总线短路或总线上所有发送器被禁止时,接收器输入端为0V,从而使接收器输出高电平。同理,SN75276的灵敏度为0mV/-300mV,因而达到故障保护的目的。

(2)若使用不带故障保护的芯片,如SN75176、MAX1487等时,可通过在总线上加上拉和下拉电阻的办法来避免总线悬空。

3.4 光电隔离

在某些工业控制领域,由于现场情况十分复杂,各个节点之间存在很高的共模电压。虽然RS-485接口采用的是差分传输方式,具有一定的抗共模干扰的能力,但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压,即>+12V或<-7V时,接收器就再也无法正常工作了,严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。

解决此类问题的方法是通过DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离;通过光耦将信号隔离,彻底消除共模电压的影响。实现此方案的途径可分为:

(1)用光耦、带隔离的DC-DC、RS-485芯片构筑电路;

(2)使用二次集成芯片,如PS1480、MAX1480等。

4 RS-232/RS-422/RS-485转换电路

在实际应用中,用户对串行通讯口的要求各种各样,因此,往往需要在RS-232、RS-422/RS-485接口之间来回转换,图41为一种RS-232/RS-422/RS-485转换电路。在进行RS-232CRS-422的转换时,将短路子X1,X2的3、4端短接;进行RS-232CRS-485的转换时,将短路子X1,X2的2、3端短接;进行RS-485-RS-422的转换时,将短路子X1,X2的1、2端短接。当进行组网时,网络的始端和终端必须并联终端电阻,通常终端电阻的阻值为120Ω。图中的R4、R15、R18即为终端电阻,需要时将短路子X6、X8、X9短接,则可做为网络的始端或终端,作为网络的中间设备时,这些电阻应断开。

在本电路中,关键解决了RS-485接口的数据方向控制,利用LMC555定时器实现的单稳态触发器可自动检测输出信号,并选通数据输出缓冲器,选通信号的宽度可根据传送波特率通过跨接X9,X11来实现,也可通过跨接X3来自动决定选通信号宽度。由于此电路的采用,省去了由微控制器输出的RTS信号,简化了系统设计。

 

 

 

5 结论

通过对RS-232、RS-422/RS-485接口电路的分析和研究,我厂生产的电站励磁装置已成功配置了RS-232、RS-422/RS-485串行通讯口,现场运行情况良好。

[参考文献]

1]李杏春等.8098单片机原理及实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.

2]杨兆选等.555定时器原理及实用电路集锦[M].天津:天津大学出版社,1989.

3]吕伟杰.新型双通道同步电动机微机励磁装置的研究与开发[C.天津:河北工业大学电气学院,2000.


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