CN102760113A - 支持热拔插的rs232接口电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支持热拔插的RS232接口电路，包括电源隔离电路和数据信号隔离电路，电源隔离电路中设有限流负载开关以抑制浪涌电流，数据信号隔离电路包括第一光耦、第二光耦和三极管，数据发送信号RXD232经第一缓冲保护电路输入到第一光耦，数据发送信号UART0OUT输入到第二光耦，第二光耦的输出信号经上拉电阻连接至三极管的基极，三极管的发射极接电源隔离电路输出的P9V，电源隔离电路输出的N9V经下拉分流电阻电路连接至三极管的集电极。本发明，如果RS232接口出现的电流超过了设定的阈值，则限流负载开关自动关断，且通过第一、第二保护电路钳制过压，实现了RS232接口电路支持热拔插的功能。
Description
技术领域
本发明涉及RS232接口，具体涉及支持热拔插的RS232接口电路。
背景技术
RS232接口是各种计算机系统和嵌入式系统中经常使用的一种标准配置接口，标准的RS232接口本身不支持热拔插。但是，在某些应用场合或者为了工程使用中操作方便，要求其支持热拔插的功能，并且，出于可靠性和安全性的考虑，要求RS232接口支持与系统设备的完全隔离。
目前，虽然有为数不多的几家生产厂商能提供隔离型的RS232接口解决方案，但都不具备支持热拔插的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决RS232接口如何支持热拔插的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种支持热拔插的RS232接口电路，包括电源隔离电路和数据信号隔离电路；所述电源隔离电路包括限流负载开关、原边变压器H桥驱动器、变压器和整流滤波电路，电源经限流负载开关限流后输入到原边变压器H桥驱动器，所述原边变压器H桥驱动器驱动变压器升压为与RS232接口电平相应的交流电压，然后由整流滤波电路整流为与RS232接口电平相应的P9V和N9V直流电压源输出；所述数据信号隔离电路包括第一光耦、第二光耦和三极管，RS232接口端的数据发送信号RXD232经第一缓冲保护电路输入到第一光耦，第一光耦输出UART0IN信号至通用异步接收/发送控制器；通用异步接收/发送控制器的数据发送信号UART0OUT输入到第二光耦，第二光耦的输出信号经上拉电阻连接至三极管的基极，三极管的发射极接电源隔离电路输出的P9V，电源隔离电路输出的N9V经下拉分流电阻电路连接至三极管的集电极，从三极管的集电极输出的RS232接口端的数据接收信号TXD232经第二缓冲保护电路输出至RS232接口。
在上述方案中，所述第一缓冲保护电路包括第一安规电容、第一TVS二极管、第一电感和第一二极管，第一电容与第一TVS二极管并联后依次与第一电感和第一二极管连接，第一二极管依次串联两个限流电阻连接到第一光耦的P管脚，第一光耦的N管脚经第二二极管接第一二极管的输出端；所述第二缓冲保护电路包括第二安规电容、第二TVS二极管和第二电感，第二电容与第二TVS二极管并联后与第二电感连接，第二电感与三极管的集电极连接。
在上述方案中，所述下拉分流电阻电路由第一、第二下拉分流电阻并联组成。
在上述方案中，所述电源隔离电路的输入电压为直流5V，限流负载开关的型号为TPS22941DCKR，原边变压器H桥驱动器的型号为MAX253CSA+，限流负载开关的Vin管脚与所述输入电压连接，Vout管脚接原边变压器H桥驱动器的VCC管脚以及变压器TR1的中心抽头，变压器TR1初级线圈的输入端分别接原边变压器H桥驱动器的D1、D2管脚，变压器TR1的次级线圈的输出端接整流滤波电路。
在上述方案中，所述电源隔离电路的输入电压为直流3.3V，限流负载开关的型号为TPS22941DCKR，原边变压器H桥驱动器的型号为MAX253CSA+，限流负载开关的Vin管脚与所述输入电压连接，Vout管脚接原边变压器H桥驱动器的VCC管脚以及变压器TR1的中心抽头，变压器TR1初级线圈的输入端分别接原边变压器H桥驱动器的D1、D2管脚，变压器TR1的次级线圈的输出端接整流滤波电路，变压器初级线圈的两个输入端分别通过一个二极管连接到原边变压器H桥驱动器的的VCC管脚。
在上述方案中，两个所述二极管的公共输出端经一个滤波电容接地。
本发明，在RS232接口电路的电源输入端设置了限流负载开关以抑制浪涌电流，如果RS232接口出现的电流超过了设定的阈值，则限流负载开关自动关断；在对外接口一侧，设置TVS管并串联一定等效阻抗的电感以及安规电容，从而有效钳制过压击穿电路的可能，从而实现了RS232接口电路支持热拔插的功能。
附图说明
图1为本发明提供的支持热拔插的RS232接口电路中5V电源隔离电路的电路图；
图2为本发明提供的支持热拔插的RS232接口电路中3.3V电源隔离电路的电路图；
图3为本发明提供的支持热拔插的RS232接口电路中数据信号隔离电路的电路图；
上述电路中，GND\G是隔离前的UART电路的公共地，E\G是隔离后RS232接口电路的公共地。
具体实施方式
设计支持热拔插的RS232接口电路时，主要需要考虑对信号端过压脉冲的破坏和来自电源的浪涌电流可能带来的对接口电路的破坏。为此，本发明在电源输入端设置了限流负载开关以抑制浪涌电流，如果RS232接口出现的电流超过了设定的阈值，则限流负载开关自动关断；针对信号端的过压冲击，本发明采用的措施是在对外接口一侧，设置TVS管并串联一定等效阻抗的电感以及安规电容，从而有效钳制过压击穿电路的可能。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作出详细的说明。
本发明提供的支持热拔插的RS232接口电路包括电源隔离电路和数据信号隔离电路，电源隔离电路的输入电压可以是直流5V，也可以是直流3.3V。
下面首先对图1所示的5V电源隔离电路的电路图进行说明，该电路包括限流负载开关IC1、原边变压器H桥驱动器IC2、变压器TR1和整流滤波电路。5V直流输入电压经限流负载开关IC1限流后输入到原边变压器H桥驱动器IC2，并驱动变压器TR1升压为与RS232接口电平相应的12V交流电压，然后由整流滤波电路整流为与RS232接口电平相应的±12V直流电压源输出。
再参见图1，限流负载开关IC1的型号为TPS22941DCKR，原边变压器H桥驱动器IC2的型号为MAX253CSA+。IC1的Vin管脚与5V直流输入电压连接，且该5V直流输入电压并联一个电源端安规电容C1，利用电源端安规电容C1可以避免电击而危及人身安全。IC1的OC管脚串联一个过流电阻R1后也连接到5V直流输入电压，IC1的ON管脚和GND管脚接地，IC1的Vout管脚分别接原边变压器H桥驱动器IC2的VCC管脚和变压器TR1的中心抽头，IC2的GND和SD管脚接地，IC2的FS管脚串接变频电阻R5后接地，变压器TR1初级线圈的输入端分别接IC2的D1、D2管脚，变压器TR1次级线圈的输出端接整流滤波电路。整流滤波电路由四个二极管D5～D8和四个电容C6～C9组成，该整流滤波电路为本领域的常规设计，在此不再赘述。
限流负载开关IC1是一个过流保护器件，RS232接口热拔插时，如果有太大的浪涌电流，则该限流负载开关IC1会自动关断，防止烧坏被隔离保护的电路，限流负载开关IC1的Vout管脚上还通过一个电容C4接地，原边变压器H桥驱动器IC2的VCC管脚上还通过一个电容C5接地，电容C4、C5起滤波保护作用。
原边变压器H桥驱动器IC2将限流负载开关IC1输出的5V直流电压源转化为一定频率的交变脉冲驱动变压器TR1，在变压器TR1的输出端通过整流滤波电路得到一个隔离后的直流电压源，且该直流电压源的幅值可以根据变压器TR1的匝数比不同调节大小。对于如图1所示的输入电源为5V的电路，变压器TR1的匝数比为1 : 2.1，从而将5V电压升压得到一个适合RS232接口电平逻辑的参考电平，也就是图1中的P9V和N9V。
图2为3.3V电源隔离电路的电路图，与图1所示的5V电源隔离电路不同的是，该电路的输入电压为直流3.3V，原边变压器H桥驱动器IC2的D1管脚和D2管脚分别通过二极管D3和D4反馈到IC2的VCC管脚，即变压器TR1初级线圈的两个输入端分别通过一个二极管D3、D4连接到原边变压器H桥驱动器的VCC管脚，二极管D3和D4的公共输出端还经一个滤波电容C10接地，滤波电容C10起滤波作用。
原边变压器H桥驱动器IC2本身的启动工作电压只需要2.5V，但启动以后持续工作则需要给IC2的VCC一个4.5V以上7V以下的工作电压，因此，如果是3.3V单电源供电，则需要增加D3、 D4和C10利用变压器TR1升压整流后供给VCC使用。
图3为本发明提供的支持热拔插的RS232接口电路中数据信号隔离电路的电路图。如图3所示，数据信号隔离电路包括第一光耦OC1、第二光耦OC2和三极管T1。
请参见图3，图中UART0IN和UART0OUT分别是通用异步接收/发送控制器UART一侧的数据接收信号（输入信号）和数据发送信号（输出信号），RS232接口端DB9的TXD232和RXD232分别是PC机或设备的RS232接口一侧的数据接收信号（输入信号）和数据发送信号（输出信号）。
RS232接口端的数据发送信号RXD232经第一缓冲保护电路输入到第一光耦OC1，第一光耦OC1输出UART0IN信号至通用异步接收/发送控制器。第一缓冲保护电路包括第一安规电容C2、第一TVS二极管D1、第一电感L1和第一二极管D9，第一安规电容C2与第一TVS二极管并联后依次与第一电感L1和第一二极管D9连接，第一二极管D9依次串联两个限流电阻R6、R7后连接到第一光耦OC1的P管脚，第一光耦OC1的N管脚经第二二极管D10接第一二极管D9的输出端，第一光耦OC1的VCC管脚接3.3V电压，UART0IN是通用异步接收/发送控制器UART的数据接收信号，UART0IN接第一光耦OC1的VO管脚，RS232接口端的数据发送信号RXD232经第一光耦OC1隔离后，转化为LVTTL逻辑电平的UART0IN，完成逻辑电平转化和隔离保护的功能。其中，第一安规电容C2、第一TVS二极管D1和第一电感L1的作用是抑制RS232接口拔插时易出现的浪涌电流和幅值较高的振荡电压，第一二极管D9的作用是利用其反向截止的功能，保护PC侧或设备侧的串口，如没有D9，当PC侧或设备侧为逻辑高时，电压远低于E\G，会产生较大的电流，有D9作反向截止，产生的电流就很小了。第二二极管D10起反向电压钳位的作用，如没有D10，则反向电压过高，会损坏OC1的发光二级管。限流电阻电阻R6、R7起限流和散热作用。
UART的数据发送信号UART0OUT接第二光耦OC2的N管脚，第二光耦OC2的P管脚经电阻R10接UART侧的3.3V电压源，第二光耦OC2的VCC和VO管脚分别串接上拉电阻R8和限流保护电阻R9后接三极管T1的基极，三极管T1的发射极接电源隔离电路输出的P9V，从三极管T1的集电极输出的RS232接口端的数据接收信号TXD232经第二缓冲保护电路输出至RS232接口，最终UART0OUT转化为RS232接口的数据发送信号TXD232。第二缓冲保护电路包括第二安规电容C3、第二TVS二极管D2和第二电感L2，第二安规电容C3与第二TVS二极管D2并联后与第二电感L2连接，第二电感L2与三极管T1的集电极连接，电源隔离电路输出的N9V经下拉分流电阻电路接三极管T1的集电极，下拉分流电阻电路由第一、第二下拉限流电阻R3、R4并联组成。
第二光耦OC2起两个作用：一是将UART的LVTTL逻辑电平与RS232的逻辑电平隔离并转化；二是起到拔插保护作用。三极管T1的作用是信号反向，这是因为RS232的逻辑电平是反逻辑的，同时三极管T1的耐压和耐流值都比较大，增强热拔插保护能力。第一、第二下拉限流电阻R3、R4用来进行分流和散热。
本发明采用了高速光耦，串口速率可以达到115200bps，满足目前嵌入式系统设计中的串口速率要求。因为变压器和高速光耦承受的过流和过压冲击能力也比较强，所以整个接口设计具备支持热拔插能力。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.支持热拔插的RS232接口电路，其特征在于，包括电源隔离电路和数据信号隔离电路；
所述电源隔离电路包括限流负载开关、原边变压器H桥驱动器、变压器和整流滤波电路，电源经限流负载开关限流后输入到原边变压器H桥驱动器，所述原边变压器H桥驱动器驱动变压器升压为与RS232接口电平相应的交流电压，然后由整流滤波电路整流为与RS232接口电平相应的P9V和N9V直流电压源输出；
所述数据信号隔离电路包括第一光耦、第二光耦和三极管，RS232接口端的数据发送信号RXD232经第一缓冲保护电路输入到第一光耦，第一光耦输出UART0IN信号至通用异步接收/发送控制器；通用异步接收/发送控制器的数据发送信号UART0OUT输入到第二光耦，第二光耦的输出信号经上拉电阻连接至三极管的基极，三极管的发射极接电源隔离电路输出的P9V，电源隔离电路输出的N9V经下拉分流电阻电路连接至三极管的集电极，从三极管的集电极输出的RS232接口端的数据接收信号TXD232经第二缓冲保护电路输出至RS232接口。
2.如权利要求1所述的支持热拔插的RS232接口电路，其特征在于，所述第一缓冲保护电路包括第一安规电容、第一TVS二极管、第一电感和第一二极管，第一电容与第一TVS二极管并联后依次与第一电感和第一二极管连接，第一二极管依次串联两个限流电阻连接到第一光耦的P管脚，第一光耦的N管脚经第二二极管接第一二极管的输出端；所述第二缓冲保护电路包括第二安规电容、第二TVS二极管和第二电感，第二电容与第二TVS二极管并联后与第二电感连接，第二电感与三极管的集电极连接。
3.如权利要求1所述的支持热拔插的RS232接口电路，其特征在于，所述下拉分流电阻电路由第一、第二下拉分流电阻并联组成。
4.如权利要求1所述的支持热拔插的RS232接口电路，其特征在于，所述电源隔离电路的输入电压为直流5V，限流负载开关的型号为TPS22941DCKR，原边变压器H桥驱动器的型号为MAX253CSA+，限流负载开关的Vin管脚与所述输入电压连接，Vout管脚接原边变压器H桥驱动器的VCC管脚以及变压器TR1的中心抽头，变压器TR1初级线圈的输入端分别接原边变压器H桥驱动器的D1、D2管脚，变压器TR1的次级线圈的输出端接整流滤波电路。
5.如权利要求1所述的支持热拔插的RS232接口电路，其特征在于，所述电源隔离电路的输入电压为直流3.3V，限流负载开关的型号为TPS22941DCKR，原边变压器H桥驱动器的型号为MAX253CSA+，限流负载开关的Vin管脚与所述输入电压连接，Vout管脚接原边变压器H桥驱动器的VCC管脚以及变压器TR1的中心抽头，变压器TR1初级线圈的输入端分别接原边变压器H桥驱动器的D1、D2管脚，变压器TR1的次级线圈的输出端接整流滤波电路，变压器初级线圈的两个输入端分别通过一个二极管连接到原边变压器H桥驱动器的的VCC管脚。
6.如权利要求4或5所述的支持热拔插的RS232接口电路，其特征在于，所述输入电压上并联一个电源端安规电容。
7.如权利要求5所述的支持热拔插的RS232接口电路，其特征在于，两个所述二极管的公共输出端经一个滤波电容接地。
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