RS-232/RS-485無(wú)源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　RS-232、RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。由于它們的接口電路簡(jiǎn)單，通用性比較好，所以在控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。RS-232和RS-485有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)：RS-232是低速率串行單端標(biāo)準(zhǔn)，采取不平衡傳輸方式(即所謂單端通信)，收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地的電平而言，其共模抑制能力差，傳送距離短，其為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式；RS-485采用平衡傳輸方式，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信，由于采用了有別于RS-232電平方式的差分方式，使得在通信速率、抗干擾和傳輸距離方面都有較大的改善。但由于現(xiàn)用的工控PC機(jī)大多都只直接提供RS-232接口，所以為了實(shí)現(xiàn)RS-485與監(jiān)控系統(tǒng)的接口，往往需要另加轉(zhuǎn)換接口，從而使得網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成相對(duì)比較復(fù)雜，使用也不方便。為了克服使用上的不便，本文設(shè)計(jì)了一種RS-232/RS-485通用接口。為了克服以往在單端情況下只能232或485不能同時(shí)接口的局限，本文利用Maxim公司的ICL7662芯片設(shè)計(jì)一種通用接口。下面就ICL7662芯片及電路原理作全面地介紹。

1 ICL7662電壓轉(zhuǎn)換器

ICL7662是由美國(guó)Maxim 公司提供的一種CMOS電壓轉(zhuǎn)換器，主要特性為：

◆ 轉(zhuǎn)換電壓為4.5V～20V到-4.5V～-20V;
◆ 轉(zhuǎn)換效率高達(dá)99.7％；
◆ 外圍電路簡(jiǎn)單，最小只需兩個(gè)儲(chǔ)能電容。

引腳說(shuō)明如表1所列。

2 ICL7662電壓轉(zhuǎn)換器工作原理

ICL7662原理性圖解如圖1所示。

　　在ICL7662工作周期的前半個(gè)周期，S1和S3閉合，S2和S4斷開(kāi)，C1由輸入電壓充電到VIN。在接下來(lái)的后半個(gè)周期， S1和S3斷開(kāi)，S2和S4閉合。在電路電阻非常小的情況下，就會(huì)由C1放電在C2上，在C2兩端形成-VIN。根據(jù)該芯片的工作原理，本文做了大量的試驗(yàn)，如果在C2兩端加上-VIN，根據(jù)同樣的原理，會(huì)在C1上形成相當(dāng)于VIN的電壓。根據(jù)此特性非常有利于從信號(hào)端“竊取”電源，即不管是在正電源端還是負(fù)電源端，只要某一端有足夠的電平，芯片就會(huì)高效地完成“竊電”。本文就針對(duì)這一特性設(shè)計(jì)了無(wú)源的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。

注:①本原理圖為通用方式的RS485接口原理，2個(gè)TVP用于ESD防護(hù)，外加2個(gè)自復(fù)位
保險(xiǎn)絲PCT;
②下半部分用于無(wú)源RS232→RS485的轉(zhuǎn)換電路，保證兩端同時(shí)可用，但在系統(tǒng)中只
能有一端為主，且RS232應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)232口，232口發(fā)送數(shù)據(jù)在485口可見(jiàn)。

3 通用硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明

　　本文設(shè)計(jì)的接口電路主要是針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制終端，由于各種控制要求不同，所以對(duì)控制終端的配置各異。但總體要求是某一終端故障不應(yīng)影響系統(tǒng)其余部分的功能，要便于終端與監(jiān)控系統(tǒng)之間的接口。所以，本文設(shè)計(jì)中對(duì)于RS-485與RS-232的轉(zhuǎn)換采用了無(wú)源的轉(zhuǎn)換方式，而非常規(guī)的RS-232與RS-485標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，既便是與PC相連的終端單元掉電，也不會(huì)影響系統(tǒng)中其它單元的正常通信。

　　圖2為接口電路的原理圖。在圖中的上半部分用美國(guó)Maxim公司的485芯片MAX487構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口電路，其中2片P133為快速光電耦合器，用于把控制內(nèi)核部分與網(wǎng)絡(luò)隔離開(kāi)，控制端口用相對(duì)廉價(jià)一點(diǎn)的TPL521隔離。TVS1和TVS2為瞬態(tài)電壓抑制二極管，用以對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的高壓噪音干擾進(jìn)行吸收，保護(hù)接口芯片MAX487免予損壞。PCT1和PCT2為自復(fù)位保險(xiǎn)絲，在網(wǎng)絡(luò)過(guò)流的情況下起保護(hù)作用。在網(wǎng)絡(luò)過(guò)流時(shí)進(jìn)入高阻限流狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常的情況下，又恢復(fù)到正常零電阻的工作狀態(tài)下。R7為可選終端匹配電阻。該接口電路簡(jiǎn)單、可靠。

　　圖2的下半部分為本文的重點(diǎn)部分，完成RS-232與RS-485標(biāo)準(zhǔn)之間的無(wú)源轉(zhuǎn)換。該部分的核心為Maxim公司的負(fù)電源轉(zhuǎn)換芯片ICL7662。電路的工作電源來(lái)自于RS-232的發(fā)送信號(hào)線PTXD，由電荷泵ICL7662進(jìn)行正負(fù)電源轉(zhuǎn)換，能量存儲(chǔ)于儲(chǔ)能電容C1、C2、C3中，作為本部分電路的工作電源。根據(jù)EIA的標(biāo)準(zhǔn)，RS-232在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在 5V~ 15V(邏輯0)，負(fù)電平在-5V~-15V(邏輯1)，接收器的典型電平在 3~ 12V與-3~-12V(見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1])之間，RS-485的接收門(mén)限為 /-200mv(見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2])。由MAX487完成RS-232與RS-485標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換，電路自動(dòng)完成收發(fā)控制的轉(zhuǎn)換。本部分對(duì)控制內(nèi)核來(lái)講處于無(wú)源工作狀態(tài)下，不受所在終端工作狀態(tài)的影響，自動(dòng)完成收、發(fā)狀態(tài)控制，避免網(wǎng)絡(luò)“死鎖”。當(dāng)電路所在的節(jié)點(diǎn)不接RS-232時(shí)，本部分電路不工作，使得系統(tǒng)的功耗最小。當(dāng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS-232與系統(tǒng)通信時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)首先轉(zhuǎn)換到RS-485網(wǎng)上，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換到RS-232的電平狀態(tài)，然后與監(jiān)控系統(tǒng)通信。

4 總 結(jié)

　　通過(guò)大量的工程實(shí)踐證明，該電路簡(jiǎn)單可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，克服了有些電路在電源采集信號(hào)端長(zhǎng)期處于某一電平時(shí)，電路電源中斷的弊端。同時(shí)根據(jù)RS-485半雙工總線的特性，本文巧妙地實(shí)現(xiàn)了RS-485在收發(fā)之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，避免了由于操作不當(dāng)造成的總線“死鎖”現(xiàn)象。實(shí)踐證明，不管是與信號(hào)電平相對(duì)較低的便攜式電腦接口還是與臺(tái)式機(jī)接口，本電路都能可靠工作，在通信速率300b/s~19200b/s范圍內(nèi)，長(zhǎng)期運(yùn)行未發(fā)現(xiàn)通信有任何異常現(xiàn)象。