隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)的廣泛應(yīng)用,，控制局域網(wǎng)絡(luò)也深入應(yīng)用到各行各業(yè)之中。現(xiàn)行的諸多控制系統(tǒng),，若采用單機(jī)控制方式已越來越難以滿足設(shè)備控制的要求,，因?yàn)橥覀兯刂频脑O(shè)備只是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)基本單元，它既需要外部輸入一些必要的信息,，同時(shí),，也需要向外部輸出自身的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)。所有這些,，都要求我們采用控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，將眾多設(shè)備有機(jī)地連成一體，以保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行,。
　　目前,，在我國(guó)應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線中，RS－485/RS－422使用最為普遍。當(dāng)用戶要將基于標(biāo)準(zhǔn)的RS－232接口設(shè)備,，如PC機(jī),，連接至由RS－485/RS－422構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò)時(shí)，則必須作RS－232和RS－485/RS－422之間的電平轉(zhuǎn)換,。傳統(tǒng)的做法是在設(shè)備內(nèi)擴(kuò)展一個(gè)通訊適配卡,，由通訊適配卡實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，內(nèi)部主機(jī)再通過并行總線讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù),。顯然,，這種設(shè)計(jì)方法存在下列缺點(diǎn)：
　　· 由于適配卡是基于某一種總線標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的，而不是基于RS－232電平標(biāo)準(zhǔn),，所以其應(yīng)用范圍受到限制,，只能一種適配卡適用一種總線(如ISA適配卡不可能插入STD總線或用戶自定義的總線)，其通用性較差,；
　　· 雖然實(shí)現(xiàn)的僅僅是電平轉(zhuǎn)換,，但是由于需要考慮與擴(kuò)展總線的接口和增加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UART，并且需要占用系統(tǒng)的其它寶貴資源,，使硬件和軟件變得過于復(fù)雜,；
　　· 復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)大大增加了元器件的數(shù)目和電路板面，使適配卡的成本過高,；
　　· 由于采用內(nèi)置插卡方式,，使變更通信方式比較麻煩，如將半雙工通信方式設(shè)置為全雙工方式等,。另外,，維修和測(cè)試也比較麻煩；
　　· 對(duì)于現(xiàn)有的基于RS－232的設(shè)備,，在無法變動(dòng)系統(tǒng)軟件和硬件的情況下,，顯然適配卡無法將這些設(shè)備連成基于RS－485或RS－422通信網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)。
　　為了克服上述缺點(diǎn),，同時(shí)考慮到RS－232接口的自身特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種小巧的,、無須外部供電的智能收發(fā)轉(zhuǎn)換器,，實(shí)現(xiàn)RS－232和RS－485/RS－422之間的電平轉(zhuǎn)換。
1 功能描述及結(jié)構(gòu)框圖
　　本智能轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)獨(dú)立的電平轉(zhuǎn)換控制器,，涉及線上取電,、發(fā)送和接收狀態(tài)的智能切換、通信方式設(shè)置,、RS－232電平與RS－485/RS－422電平之間的轉(zhuǎn)換等方面,。具體描述如下：
　　· 從RS－232接口上取電
　　由于不采用外部供電方式，則必須從RS－232接口線取電，為內(nèi)部元器件供電,。我們知道,，標(biāo)準(zhǔn)的RS－232接口定義中，TXD,、RTS和DTR是RS－232電平輸出,。設(shè)計(jì)一個(gè)DC－DC轉(zhuǎn)換器，從這些信號(hào)上,，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供一定的電源功率,。
　　· 低功耗微處理器
　　微處理器通過監(jiān)測(cè)TXD信號(hào)的變化，決定是否允許數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收,。另外,，有關(guān)通信方式、波特率和半/雙工工作方式選擇也是通過TXD信號(hào),，或I/O口來設(shè)定的,。
　　· RS－232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換
　　· RS－485/RS－422電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換
　　其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 工作原理
　　該智能轉(zhuǎn)換器必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問題,，即如何從RS－232線上獲得電源和RS－485/RS－422接口驅(qū)動(dòng)所需的功率,，和如何智能控制RS－485/RS－422的收發(fā)使能。
2.1 電源方案
　　標(biāo)準(zhǔn)的RS－232定義中,，有三個(gè)發(fā)送信號(hào)：TXD,，RTS和DTR。每根線上的典型輸出電流為±8mA/±12V,，考慮到TXD為負(fù)電平(處于停止發(fā)送,，或發(fā)送數(shù)字“1”時(shí))的時(shí)間較多，因而電源轉(zhuǎn)換決定采用負(fù)電源輸入,，以最大限度地增加電源輸入功率,，升壓至所需的工作電源。從RTS和DTR上輸入功率＝2×8×12mW＝192mW,。另外,，由于通訊為間歇工作方式，所以輸入電源端的儲(chǔ)能電容和TXD(為負(fù)電平時(shí))能夠補(bǔ)充一定的功率,。假設(shè),，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)效率為85%、輸出電壓為3V的DC－DC轉(zhuǎn)換器,，則輸出電流可達(dá)54.4mA,。
2.2 智能控制收發(fā)使能
　　RS－232通訊接口采用電平方式傳輸，適用于點(diǎn)－點(diǎn)通訊,，無須專門的收發(fā)使能控制,；而對(duì)于RS－485/RS－422通訊接口則不同，由于采用差分電平方式傳輸，且允許在一條通訊總線上掛接多個(gè)節(jié)點(diǎn),，必然要求各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立地控制總線驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷或打開,，保證不會(huì)影響到其它節(jié)點(diǎn)的正常通訊。為了簡(jiǎn)化與轉(zhuǎn)換器RS－232接口端相連的軟件工作,，更重要的是為了提高本轉(zhuǎn)換器的通用性和靈活性(即插即用,，無須要求用戶更改任何相關(guān)軟件和硬件)，本轉(zhuǎn)換器內(nèi)置微處理器,，實(shí)現(xiàn)收發(fā)使能的智能控制,。具體方法：微處理器在檢測(cè)到UART的通信起始位后，打開發(fā)送使能,，允許串行數(shù)據(jù)發(fā)送至RS－485/RS－422通訊網(wǎng)絡(luò),。微處理器根據(jù)所設(shè)定的波特率延時(shí)至UART停止位發(fā)送一半時(shí)(例如11位格式時(shí)，延時(shí)10.5T,T＝1/f_BAUD),開始檢測(cè)是否有下一個(gè)起始位到來,。在時(shí)間T內(nèi),，若有下一個(gè)起始位到來，則保持發(fā)送狀態(tài),，否則將關(guān)閉發(fā)送使能,，結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送。
3 硬件設(shè)計(jì)
　　由于本轉(zhuǎn)換器供電來自RS－232信號(hào)線,，其輸入功率受到限制,，因而在本設(shè)計(jì)中將盡可能地采用+3V供電的低功耗器件，保證總電流小于54.4mA,。主要包括4個(gè)部分：DC－DC轉(zhuǎn)換器,、RS－232接口、RS－485/RS－422接口和微處理器,。分別介紹如下：
3.1 DC－DC轉(zhuǎn)換器
　　顯然,，還沒有一個(gè)DC－DC轉(zhuǎn)換器能夠直接實(shí)現(xiàn)－12V輸入，+3V輸出的IC,。但是,，如果我們利用現(xiàn)有的IC，稍作改動(dòng),，即可實(shí)現(xiàn)該功能,。圖2所示的DC－DC轉(zhuǎn)換電路，就是利用MAX761實(shí)現(xiàn)的－12V輸入,，+3V輸出、效率高于85%的升壓DC－DC轉(zhuǎn)換器,。該轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸入電壓范圍為－2.5～－13.5V,，靜態(tài)工作電流僅I₁＝120μA，具有輸出電流大于54.4mA的能力(如果前端輸入功率未受到限制，則輸出電流可達(dá)300mA以上),。由于MAX761采用高效率的PFM控制方式,而且在本電路中,開關(guān)損耗較小(因?yàn)殚_關(guān)電流小于負(fù)載電流),所以能夠達(dá)到比MAX761典型應(yīng)用更高的效率(MAX761典型應(yīng)用效率為86%),。輸出電壓由下列方程確定：
　　V_OUT＝V_REF×R1/R2+0.7(V)，其中V_REF＝1.5V
　　選取R2＝100kΩ,，根據(jù)所需要的輸出電壓,，計(jì)算R1。

3.2 RS－232接口
　　本轉(zhuǎn)換器只需要一片單發(fā)/單收RS－232接口就可以滿足要求,，但必須要求+3V單電源工作,、工作電流盡可能地小的接口電路。MAX3221/MAX3221E(帶±15kVESD保護(hù))剛好能夠滿足上述要求,，具有1TX/1RX,，其工作電壓+3～+5.5V,僅1μA的靜態(tài)電流，負(fù)載電流小于I₂＝2mA,。
3.3 RS－485/RS－422接口
　　為兼顧RS－485/RS－422接口中半雙工和全雙工的要求,，本轉(zhuǎn)換器采用MAX3491作為RS－485/RS－422接口電路，其主要指標(biāo)為：+3～+3.6V單電源工作,、工作電流1mA,驅(qū)動(dòng)60Ω負(fù)載時(shí)(半雙工時(shí),，兩個(gè)120Ω終端匹配電阻的并聯(lián)值)，峰值電流可達(dá)I₃＝3V/60Ω＝50mA,。半雙工和全雙工工作方式是通過跳線器來設(shè)置的,，見圖3。
3.4 微處理器
　　在本轉(zhuǎn)換器中,，微處理器所要完成的任務(wù)很簡(jiǎn)單,，僅需要幾根I/O線即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和發(fā)送使能的自動(dòng)控制。實(shí)際選擇中,，采用Microchip公司的PIC12C508A,，其主要指標(biāo)為：工作電流I₄＜1.0mA(工作電壓3V，頻率4MHz),6條I/O線,，512kByte的ROM,。其中，GP0,、GP1,、GP4和GP5四個(gè)引腳設(shè)定對(duì)應(yīng)于16種常用波特率(300、600,、1200至38.4Kbps等8種,，以及900、1800至115.4Kbps等8種)的延時(shí)時(shí)間,；GP3對(duì)應(yīng)于10位或11位串行數(shù)據(jù)格式,；GP2為TXD輸入,，用來檢測(cè)UART何時(shí)發(fā)送和停止數(shù)據(jù)；GP1為復(fù)用輸出引腳,，用來控制MAX3491的發(fā)送使能控制端,；GP0也為復(fù)用輸出引腳，用來控制MAX3491的接收使能,。詳見圖3,。