基于可編程邏輯陣列的RS232至RS422的串行口擴(kuò)展電路

摘要：介紹了利用可編程邏輯陣列把１路RS232擴(kuò)展至４路RS422的串行口電路設(shè)計(jì)方法。該擴(kuò)展電路不占用PC系統(tǒng)資源，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，通用性和可補(bǔ)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于主從式多機(jī)通訊系統(tǒng)中。

由于ＲＳ－４２２總線具有抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率高、通訊距離遠(yuǎn)、可以與多臺(tái)從機(jī)通訊等特點(diǎn)，所以，該總線在數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控管理及集散控制系統(tǒng)的主從式多機(jī)通訊系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。但是，若在一條ＲＳ－４２２ 通訊總線上連接過(guò)多的從機(jī)，則有可能會(huì)由于總線負(fù)擔(dān)過(guò)重，而使系統(tǒng)可靠性變差，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

為了解決ＲＳ４２２總線在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)出一種以可編程邏輯陣列ＧＡＬ１６Ｖ８為核心的串行口擴(kuò)展電路。它可將微機(jī)的一路ＲＳ２３２串行口擴(kuò)展至４路ＲＳ－４２２串行口。該電路通過(guò)主機(jī)軟件對(duì)ＤＴＲ、ＲＴＳ控制信號(hào)的編程，可以和任選通訊接口的從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；也可以不用ＤＴＲ、ＲＴＳ控制信號(hào)，而直接實(shí)現(xiàn)主機(jī)與全部通訊接口的從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)可在不改變?cè)瓉?lái)軟件的情況下，做到即插即用。

    本電路采用ＤＣ－ＤＣ隔離電源供電，主機(jī)與通訊接口之間采用高速光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)光電隔離，從而增強(qiáng)了主機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，該擴(kuò)展電路還具有不占用系統(tǒng)資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、通用性強(qiáng)和性能可靠等特點(diǎn)，因此，可廣泛應(yīng)用于全雙工通訊方式的主從式多機(jī)通訊系統(tǒng)。    該ＤＣ－ＤＣ隔離電源主要通過(guò)調(diào)節(jié)輸出脈沖的頻率（調(diào)節(jié)脈沖的間歇時(shí)間）來(lái)使輸出電壓保持穩(wěn)定。其穩(wěn)壓過(guò)程的原理為：    ２．３ ＲＳ４２２／ＲＳ４８５接口電路

在實(shí)際的煤氣泄漏巡檢系統(tǒng)中，筆者用該擴(kuò)展電路組成的主從式多機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與４０多臺(tái)數(shù)據(jù)采集裝置之間的數(shù)據(jù)通訊，而且保證了通訊性能的穩(wěn)定可靠。

１　電路的整體結(jié)構(gòu)

圖１所示是這種ＲＳ－４２２串行口擴(kuò)展電路的結(jié)構(gòu)框圖。整個(gè)擴(kuò)展電路分為４個(gè)部分，其中，第一部分是ＤＣ－ＤＣ隔離電源。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，本電路采用隔離電源來(lái)進(jìn)行供電。第二部分是ＲＳ－２３２接口電路，用于實(shí)現(xiàn)各信號(hào)的ＲＳ－２３２電平與ＴＴＬ電平的轉(zhuǎn)換；第三部分是ＲＳ４８５／ＲＳ４２２接口電路，主要實(shí)現(xiàn)各信號(hào)的ＲＳ４８５／ＲＳ４２２電平與ＴＴＬ電平的轉(zhuǎn)換；第四部分是以可編程邏輯陣列ＧＡＬ１６Ｖ８ 為核心的譯碼控制電路，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)通訊接口的切換。

２　電路工作原理

２．１ ＤＣ－ＤＣ隔離電源

為了提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，本電路采用隔離電源供電。ＤＣ－ＤＣ隔離電源的工作原理如圖２所示。電路中的ＭＡＸ７６１ ＤＣ－ＤＣ轉(zhuǎn)換芯片是采用ＰＦＭ（脈沖調(diào)頻方式）方式來(lái)工作的，最高調(diào)制頻率為３００ｋＨｚ。該芯片內(nèi)部含有誤差放大器、頻率調(diào)制器和功率驅(qū)動(dòng)管。ＭＡＸ７６１只需少數(shù)幾個(gè)外圍元件即可組成ＤＣ－ＤＣ電源轉(zhuǎn)換電路。而電路中的ＬＴ４３１芯片則是集電極開(kāi)路的誤差放大器，它內(nèi)含２．５Ｖ基準(zhǔn)源。

 

當(dāng)輸出電壓下降時(shí)，Ｒ４電壓、誤差、ＬＴ４３１輸出、光耦輸出電流、Ｒ１電壓均隨之降低。當(dāng)Ｒ１電壓小于１．５Ｖ基準(zhǔn)電壓時(shí)，在調(diào)制脈沖的正半周期，ＬＸ端輸出低電平? 脈沖變壓器初極電流線性增大，Ｄ１反偏截止，此時(shí)次極無(wú)電流，脈沖變壓器開(kāi)始儲(chǔ)存能量；而在調(diào)制脈沖的負(fù)半周，ＬＸ端輸出高電平，脈沖變壓器釋放能量，感應(yīng)電壓經(jīng)Ｄ１（正向?qū)ǎ┹敵鍪馆敵鲭妷荷仙?。從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。

實(shí)際上，當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，Ｒ４電阻上的電壓和誤差、ＬＴ４３１輸出到光耦的輸出電流、以及Ｒ１上的電壓均隨之升高，當(dāng)Ｒ１電壓大于１．５Ｖ基準(zhǔn)電壓時(shí)，在調(diào)制脈沖的負(fù)半周，ＬＸ端輸出高電平，脈沖變壓器不產(chǎn)生電壓。而此時(shí)負(fù)載消耗將使輸出電壓下降。從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。

２．２ ＲＳ－２３２接口電路

串行口擴(kuò)展電路的電路連接如圖３所示。圖中的ＭＡＸ２３８ 接口芯片含有４路ＲＳ－２３２接口電路，其中一路用于ＲＸＤ、ＴＸＤ通訊信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換，另外兩路用于ＤＴＲ、ＲＴＳ信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。通過(guò)主機(jī)軟件可設(shè)置ＤＴＲ、ＲＴＳ的狀態(tài)以選擇通訊接口，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)與連接在此通訊接口上的從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。

圖3

 

ＲＳ４２２／ＲＳ４８５接口電路由４片（Ｕ３～Ｕ６）ＭＡＸ４８９芯片組成。ＭＡＸ４８９芯片內(nèi)部含有一組接收、發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路。該芯片是全雙工通訊方式的ＲＳ４２２接口芯片， 芯片上的ＲＥ使能端（低有效）用于控制數(shù)據(jù)的接收，ＤＥ 使能端（高有效）則控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。為便于通訊系統(tǒng)的調(diào)試，可以在接收端、發(fā)送端和各路發(fā)送使能端分別安裝一個(gè)發(fā)光管以觀察各路的通訊狀態(tài)。

２．４ 譯碼控制電路

電路中的Ｕ１（ＧＡＬ１６Ｖ８）是可編程的邏輯陣列，利用該芯片并通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)譯碼控制。將主機(jī)發(fā)出的通訊口選擇信號(hào)ＤＴＲ、ＲＴＳ由ＩＮ５、ＩＮ６輸入到Ｕ１，同時(shí)將設(shè)置開(kāi)關(guān)Ｋ１由ＩＮ１接入Ｕ１?這樣，當(dāng)Ｋ１、ＤＴＲ和ＲＴＳ經(jīng)譯碼后，即可由ＯＵＴ１～ＯＵＴ５輸出到Ｕ３～Ｕ６的發(fā)送使能端，以分別控制４個(gè)通訊口的數(shù)據(jù)發(fā)送器，從而完成主機(jī)向所選擇通訊總線的數(shù)據(jù)發(fā)送；此外，經(jīng)ＯＵＴ５～ＯＵＴ８輸出到Ｕ３～Ｕ６的接收使能端，則可分別控制４個(gè)通訊口的數(shù)據(jù)接收器，以最終使主機(jī)通過(guò)通訊總線完成從機(jī)數(shù)據(jù)的接收功能。其通訊端口的選擇如表１所列。

表1 通訊端口選擇表

３　結(jié)束語(yǔ)

該電路中的全部芯片均選用＋５Ｖ單電源供電，因而電路結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。另外，電路采用ＤＣ－ＤＣ隔離電源供電，且主機(jī)與通訊接口之間采用高速光耦進(jìn)行光電隔離，也增強(qiáng)了主機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力。該電路同時(shí)具有不占用系統(tǒng)資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、通用性強(qiáng)和性能可靠等特點(diǎn)?可廣泛應(yīng)用于雙全工通訊方式的主從式多機(jī)通訊系統(tǒng)。