CN108304339A - 一种动态管控系统的串口扩展电路及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动态管控系统的串口扩展电路，所述串口扩展电路电性连接在微处理器的RXD、TXD及I/O端口上，其特征在于，由模拟开关芯片、译码器芯片、多个第一电平转换电路和多个第二电平转换电路组成，实现微处理器输入、输出端口的扩展；所述第一电平转换电路，实现RS232电平到TTL电平的转换；所述第二电平转换电路，实现用于TTL电平到RS232电平的转换，本发明还公开一种动态管控系统的串口扩展电路的工作方法，包括微处理器的TXD的扩展方法和RXD的扩展方法，本发明的串口扩展电路可以有效实现微处理器RXD及TXD端口的扩展，利用光耦元件实现TTL和RS232电平转换，不仅实现信号可靠传输，而且还提高了负载能力，实现光电隔离，且耐冲击，提升电路扩展的抗干扰性能。

Description

一种动态管控系统的串口扩展电路及其工作方法

技术领域

本发明属于电学技术领域，涉及一种扩展电路，具体涉及一种动态管控系统的串口扩展电路及其工作方法。

背景技术

在环保的动态管控系统中，常常需要对多个在线设备的数据进行集中采集、分析和呈现，并将各企业的数据实时发送到中心管理平台进行统一呈现，便于主管部门观察执法，为了确保在线设备实时采集的数据准确传输到中心平台，在线管控系统采用串口通信方式来取代模拟量，避免了AD转换和计算所产生的累积误差，在这种情况下，在线管控系统必须具备多个RS232串口，目前常规做法是选用工控机再配专用的串口扩展卡实现，由于工控机和串口扩展卡均价格昂贵，而且扩展的串口一般采用RS232芯片进行电平转换，抗外界冲击能力弱，如雷雨天等，容易造成串口损坏。

而随着嵌入式系统的发展，采用A8等系列微处理器为核心的开发平台，其价格低，功能方面完全可以替代工控机，满足动态管控系统的数据保存、分析、呈现等要求，而微处理器芯片串口较少，只需扩展串口即可实现数据采集的要求。

目前有关串口扩展的介绍，如采用串口扩展芯片GM8125等进行扩展，由于该类芯片价格昂贵而且有的停产，此种方法已不能很好满足实际要求。有简单的采用多路开关+RS232芯片进行切换，但随着微处理器的发展，电源电压越来越低，目前大多是3.3V，而多路开关的内阻随着供电电压的降低而加大，造成微处理器和RS232芯片之间的信号衰减严重，导致变形，不能满足正常通讯的要求；同时目前有关光耦在串口扩展中的应用也只是起到光电隔离的作用，尚未能够实现TTL和RS232电平转换的功能，也围没充分利用光耦的抗干扰作用。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种动态管控系统的串口扩展电路及其工作方法，利用光耦实现TTL和RS232电平转换，不仅实现信号可靠传输，而且还提高了负载能力，实现光电隔离，且耐冲击提升电路扩展的抗干扰性能。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种动态管控系统的串口扩展电路，所述串口扩展电路电性连接在微处理器的RXD、TXD及I/O端口上，其特征在于，由模拟开关芯片、译码器芯片、分别电性连接在模拟开关芯片的多个数据输入端的多个第一电平转换电路和分别电性连接在译码器芯片的多个输出端的多个第二电平转换电路组成，实现微处理器输入、输出端口的扩展；

所述模拟开关芯片的输出端连接微处理的RXD端口，所述模拟开关芯片的地址输入端连接微处理的I/O端口，所述模拟开关芯片的数据输入端分别通过多个第一电平转换电路电连接外部设备的接收端口RXD_i，实现微处理器输入端口的扩展；

所述译码器芯片的输入端电连接微处理器的TXD和I/O端口，所述译码器芯片的输出端分别通过多个第二电平转换电路电连接用于连接外部设备的发射端口TXD_i，实现微处理器输出端口的扩展；

所述第一电平转换电路，包括第一光耦Q1、第二光耦Q2、R1和R3，实现RS232电平到TTL电平的转换；

所述第二电平转换电路，包括第三光耦Q3、第四光耦Q4、反相器、R6、R8和R10，实现用于TTL电平到RS232电平的转换。

进一步的，所述模拟开关芯片为HCF4051芯片，所述译码器芯片为74HC138芯片，实现8位扩展。

进一步的，所述HCF4051芯片的输入端口X0~X7分别连接8路第一电平转换电路；所述HCF4051芯片的端口INH、GND及VEE均接地；所述HCF4051芯片的端口VCC接电源VCC；所述HCF4051芯片的地址选择端口A、B、C均连接微处理器的I/O端，实现八路输入的选择；所述HCF4051芯片的端口X接微处理器的RXD端口，实现根据地址选择端口的信号选择对应输入端的信号传送至RXD端口。进一步的，所述三八译码器74HC138的输出端口Y0~Y7分别连接八路第二电平转换电路；所述三八译码器74HC138的地址选择端口A、B、C均连接微处理器的IO端，实现八路输出的选择；所述三八译码器74HC138的端口G1、VCC接电源VCC；所述三八译码器74HC138的端口G2B及VSS接地，所述三八译码器74HC138的端口G2A接微处理器的TXD端口，实现根据地址选择端口的信号选择对应输出端发送数据。

进一步的，所述第一光耦、第二光耦、第三光耦和第四光耦均选用TLP785，所述TLP785包括引脚1、引脚2、引脚3和引脚4，该4个引脚分别为阳极、阴极、发射端口和集电端口。

进一步的，所述第一光耦的引脚1及第二光耦的引脚2接地；所述第一光耦的引脚2通过R3连接外部设备的接收端口RXD_i；所述第一光耦的引脚3及第二光耦的引脚4并联连接HCF4051的X0~X7中任一输入端口X_i；所述第一光耦的引脚4通过上拉电阻R1连接电源VCC，所述第2光耦的引脚3接地；其中，R1为100 Ω，R3为2 kΩ。

进一步的，所述第三光耦的引脚1通过上拉电阻R6连接电源VCC，引脚2连接74HC138的Y0~Y7中任一输出端口Y_i，引脚3连接外部设备的发射端口TXD_i，引脚4连接+12V直流电；所述第四光耦的引脚1通过上拉电阻R8连接电源VCC，引脚2通过反相器与第三光耦的引脚2并联连接74HC138输出端口Y_i，引脚3通过电阻R10连接-12V直流电，引脚4与第三光耦的引脚3并联连接在外部设备的发射端口TXD_i；其中，R6为1kΩ，R8为2 kΩ，R10为100Ω，所述反相器选用74HC04。

本发明还提供一种动态管控系统的串口扩展电路的工作方法，其特征在于，包括微处理器的TXD的扩展方法和RXD的扩展方法；

其中，TXD的扩展方法，具体包括以下步骤：（1）所述微处理器的IO口输出AA、BB、CC选择信号，实现8选1；（2）将74HC138的使能输入端G1连接电源VCC，使能输入端G2B或G2A接地，当使能输入端G2B接地时，使能输入端G2A连接微处理器的TXD端口；当使能输入端G2A接地时，使能输入端G2B 连接微处理器的TXD端口；（3）当微处理器输出AA，BB，CC选择Y1~Y7中任一通道Y_i时，当TXD输出为0时，使能74HC138，使Y_i通道输出0；当TXD输出1时，74HC138不使能，输出全1，对于此时的Y_i通道就为1，实现了TXD端口信号和74HC138输出的信号相同；当74HC138的Y_i通道输出低电平时，第三光耦Q3导通，第四光耦Q4截止，外部设备的发射端口TXD_i为12V；当74HC138的Y_i通道输出高电平时，第三光耦Q3截止，74HC138的Y_i通道信号通过反向器输出0 使第四光耦Q4导通，外部设备的发射端口TXD_i为-12V，完全满足RS232电平要求；

RXD的扩展方法，具体包括以下步骤：（a）所述微处理器的IO口输出AA、BB、CC选择信号，实现8选1；（b）将HCF4051的VCC端口连接电源VCC，VEE端口接地，INH和GND端口接地，X端口连接微处理器的RXD端口；（c）当微处理器输出AA、BB、CC选择HCF4051的输入端口X1~X7中的任一端口X_i端口，当外部设备的接收端口RXD_i由外设输出逻辑电平1即外部设备的输出电压V0介于-3v～-15v时，第一光耦Q1导通，输出电压V0经过电阻R1送入HCF4051的X_i端口，后送到微处理器的RXD端，微处理器的RXD端接收到高电平；当外部设备的接收端口RXD_i由外设输出逻辑电平0即外部设备的输出电压V0为+3～+15v电压，第二光耦Q2导通，第一光耦Q1截止，则HCF4051的X_i口为低电平，后送到微处理器的RXD端，微处理器的RXD端为低电平。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)本发明采用三八译码器74HC138作为发送扩展选通，不仅实现了1扩8的扩展功能，同时配合光耦实现的电平转换电路，实现了信号的隔离，使得微处理器所带的负载大大减轻，以提高了微处理器的负载能力，对于接受扩展采用MOS型芯片HCF4051作为模拟开关，实现八路扩展，通过采用光耦电平转换电路实现信号隔离，同时将光耦电路的高电平直接由电源VCC通过100Ω电阻驱动，而低电平通过光耦接地，有效解决HCF4051模拟开关的内阻影响，进一步提升负载能力。

(2)本发明的串口扩展电路可以有效实现微处理器RXD及TXD端口的扩展，利用光耦元件实现TTL和RS232电平转换，不仅实现信号可靠传输，而且还提高了负载能力，实现光电隔离，且耐冲击，提升电路扩展的抗干扰性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的扩展原理总框图；

图2为本发明的串口扩展电路的电路图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

参见图1和图2，一种动态管控系统的串口扩展电路，所述串口扩展电路电性连接在微处理器的RXD、TXD及I/O端口上，由模拟开关芯片、译码器芯片、分别电性连接在模拟开关芯片的多个数据输入端的多个第一电平转换电路和分别电性连接在译码器芯片的多个输出端的多个第二电平转换电路组成，实现微处理器输入、输出端口的扩展。

所述模拟开关芯片的输出端连接微处理的RXD端口，所述模拟开关芯片的地址输入端连接微处理的I/O端口，所述模拟开关芯片的数据输入端分别通过多个第一电平转换电路电连接外部设备的接收端口RXD_i，实现微处理器输入端口的扩展；所述译码器芯片的输入端电连接微处理器的TXD和I/O端口，所述译码器芯片的输出端分别通过多个第二电平转换电路电连接用于连接外部设备的发射端口TXD_i，实现微处理器输出端口的扩展。 所述第一电平转换电路，包括第一光耦Q1、第二光耦Q2、R1和R3，实现RS232电平到TTL电平的转换；所述第二电平转换电路，包括第三光耦Q3、第四光耦Q4、反相器、R6、R8和R10，实现用于TTL电平到RS232电平的转换。

图2中显示2路扩展，其余扩展电路与图2中所展示的2路一致，所述模拟开关芯片为HCF4051芯片，所述译码器芯片为74HC138芯片，实现8位扩展；所述HCF4051芯片的输入端口X0~X7分别连接8路第一电平转换电路；所述HCF4051芯片的端口INH、GND及VEE均接地；所述HCF4051芯片的端口VCC接电源VCC；所述HCF4051芯片的地址选择端口A、B、C均连接微处理器的I/O端，实现八路输入的选择；所述HCF4051芯片的端口X接微处理器的RXD端口，实现根据地址选择端口的信号选择对应输入端的信号传送至RXD端口。所述三八译码器74HC138的输出端口Y0~Y7分别连接八路第二电平转换电路；所述三八译码器74HC138的地址选择端口A、B、C均连接微处理器的IO端，实现八路输出的选择；所述三八译码器74HC138的端口G1、VCC接电源VCC；所述三八译码器74HC138的端口G2B及VSS接地，所述三八译码器74HC138的端口G2A接微处理器的TXD端口，实现根据地址选择端口的信号选择对应输出端发送数据。外部设备的接收端口RXD_i外部设备的发射端口TXD_i均用于连接同一外部设备的不同信号端口。所述第一光耦、第二光耦、第三光耦和第四光耦均选用TLP785，所述TLP785包括引脚1、引脚2、引脚3和引脚4，该4个引脚分别为阳极、阴极、发射端口和集电端口。所述第一光耦的引脚1及第二光耦的引脚2接地；所述第一光耦的引脚2通过R3=2 kΩ连接外部设备的接收端口RXD_i；所述第一光耦的引脚3及第二光耦的引脚4并联连接HCF4051的X0~X7中任一输入端口X_i；所述第一光耦的引脚4通过上拉电阻R1=100 Ω连接电源VCC，所述第2光耦的引脚3接地。所述第三光耦的引脚1通过上拉电阻R6=1kΩ连接电源VCC，引脚2连接74HC138的Y0~Y7中任一输出端口Y_i，引脚3连接外部设备的发射端口TXD_i，引脚4连接+12V直流电；所述第四光耦的引脚1通过上拉电阻R8=2 kΩ连接电源VCC，引脚2通过反相器与第三光耦的引脚2并联连接74HC138输出端口Y_i，引脚3通过电阻R10=100Ω，连接-12V直流电，引脚4与第三光耦的引脚3并联连接在外部设备的发射端口TXD_i；其中，所述反相器选用74HC04。本发明采用三八译码器74HC138作为发送扩展选通，不仅实现了1扩8的扩展功能，同时配合光耦实现的电平转换电路，实现了信号的隔离，使得微处理器所带的负载大大减轻，以提高了微处理器的负载能力，对于接受扩展采用MOS型芯片HCF4051作为模拟开关，实现八路扩展，通过采用光耦电平转换电路实现信号隔离，同时将光耦电路的高电平直接由电源VCC通过100Ω电阻驱动，而低电平通过光耦接地，有效解决HCF4051模拟开关的内阻影响，进一步提升负载能力。

根据上述的串口扩展电路，本发明中还提出一种动态管控系统的串口扩展电路的工作方法，包括微处理器的TXD的扩展方法和RXD的扩展方法。

其中，TXD的扩展方法，具体包括以下步骤：（1）所述微处理器的IO口输出AA、BB、CC选择信号，微处理器的IO口输出AA、BB、CC与74HC13的A(引脚1)、B(引脚2)、C(引脚3)电性连接，选择信号实现8选1；（2）将74HC138的使能输入端G1（引脚6）连接电源VCC，使能输入端G2B（引脚5）或G2A（引脚4）接地，当使能输入端G2B（引脚5）接地时，使能输入端G2A（引脚4）连接微处理器的TXD端口；当使能输入端G2A（引脚4）接地时，使能输入端G2B（引脚5） 连接微处理器的TXD端口；（3）当微处理器输出AA，BB，CC选择Y1~Y7中任一通道Y_i时，当AA=0，BB=0，CC=0时，则选择通道Y0，当AA=0，BB=0，CC=1时，则选择通道Y1，当AA=0，BB=1，CC=0时，则选择通道Y2，当AA=0，BB=1，CC=1时，则选择通道Y3，当AA=1，BB=0，CC=0时，则选择通道Y4，当AA=1，BB=0，CC=1时，则选择通道Y5，当AA=1，BB=1，CC=0时，则选择通道Y6，当AA=1，BB=1，CC=1时，则选择通道Y7，当TXD输出为0时，使能74HC138，使Y_i通道输出0；当TXD输出1时，74HC138不使能，输出全1，对于此时的Y_i通道就为1，实现了TXD端口信号和74HC138输出的信号相同；当74HC138的Y_i通道输出低电平时，第三光耦Q3导通，第四光耦Q4截止，外部设备的发射端口TXD_i为12V；当74HC138的Y_i通道输出高电平时，第三光耦Q3截止，74HC138的Y_i通道信号通过反向器输出0 使第四光耦Q4导通，外部设备的发射端口TXD_i为-12V，完全满足RS232电平要求。在本发明中，RS232电平信号直接由电源VCC经光耦提供，信号波形稳定，带负载能力和抗干扰能力强。

RXD的扩展方法，具体包括以下步骤：（a）所述微处理器的IO口输出AA、BB、CC选择信号，实现8选1；（b）将HCF4051的VCC端口连接电源VCC，VEE端口接地，INH和GND端口接地，X端口连接微处理器的RXD端口；（c）当微处理器输出AA、BB、CC选择HCF4051的输入端口X1~X7中的任一端口X_i端口，当AA=0，BB=0，CC=0时，则选择通道X0，当AA=0，BB=0，CC=1时，则选择通道X1，当AA=0，BB=1，CC=0时，则选择通道X2，当AA=0，BB=1，CC=1时，则选择通道X3，当AA=1，BB=0，CC=0时，则选择通道X4，当AA=1，BB=0，CC=1时，则选择通道X5，当AA=1，BB=1，CC=0时，则选择通道X6，当AA=1，BB=1，CC=1时，则选择通道X7，当外部设备的接收端口RXD_i由外设输出逻辑电平1即外部设备的输出电压V0介于-3v～-15v时，第一光耦Q1导通，输出电压V0经过电阻R1送入HCF4051的X_i端口，后送到微处理器的RXD端，微处理器的RXD端接收到高电平；当外部设备的接收端口RXD_i由外设输出逻辑电平0即外部设备的输出电压V0为+3～+15v电压，第二光耦Q2导通，第一光耦Q1截止，则HCF4051的X_i口为低电平，后送到微处理器的RXD端，微处理器的RXD端为低电平。

本发明的串口扩展电路可以有效实现微处理器RXD及TXD端口的扩展，利用光耦元件实现TTL和RS232电平转换，不仅实现信号可靠传输，而且还提高了负载能力，实现光电隔离，且耐冲击，提升电路扩展的抗干扰性能。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种动态管控系统的串口扩展电路，所述串口扩展电路电性连接在微处理器的RXD、TXD及I/O端口上，其特征在于，由模拟开关芯片、译码器芯片、分别电性连接在模拟开关芯片的多个数据输入端的多个第一电平转换电路和分别电性连接在译码器芯片的多个输出端的多个第二电平转换电路组成，实现微处理器输入、输出端口的扩展；

所述模拟开关芯片的输出端连接微处理的RXD端口，所述模拟开关芯片的地址输入端连接微处理的I/O端口，所述模拟开关芯片的数据输入端分别通过多个第一电平转换电路电连接外部设备的接收端口RXD_i，实现微处理器输入端口的扩展；

所述译码器芯片的输入端电连接微处理器的TXD和I/O端口，所述译码器芯片的输出端分别通过多个第二电平转换电路电连接用于连接外部设备的发射端口TXD_i，实现微处理器输出端口的扩展；

所述第一电平转换电路，包括第一光耦Q1、第二光耦Q2、R1和R3，实现RS232电平到TTL电平的转换；

所述第二电平转换电路，包括第三光耦Q3、第四光耦Q4、反相器、R6、R8和R10，实现用于TTL电平到RS232电平的转换。

2.根据权利要求1所述的一种动态管控系统的串口扩展电路，其特征在于，所述模拟开关芯片为HCF4051芯片，所述译码器芯片为74HC138芯片，实现8位扩展。

3.根据权利要求2所述的一种动态管控系统的串口扩展电路，其特征在于，所述HCF4051芯片的输入端口X0~X7分别连接8路第一电平转换电路；所述HCF4051芯片的端口INH、GND及VEE均接地；所述HCF4051芯片的端口VCC接电源VCC；所述HCF4051芯片的地址选择端口A、B、C均连接微处理器的I/O端，实现八路输入的选择；所述HCF4051芯片的端口X接微处理器的RXD端口，实现根据地址选择端口的信号选择对应输入端的信号传送至RXD端口。

4.根据权利要求3所述的一种动态管控系统的串口扩展电路，其特征在于，所述三八译码器74HC138的输出端口Y0~Y7分别连接八路第二电平转换电路；所述三八译码器74HC138的地址选择端口A、B、C均连接微处理器的IO端，实现八路输出的选择；所述三八译码器74HC138的端口G1、VCC接电源VCC；所述三八译码器74HC138的端口G2B及VSS接地，所述三八译码器74HC138的端口G2A接微处理器的TXD端口，实现根据地址选择端口的信号选择对应输出端发送数据。

5.根据权利要求4所述的一种动态管控系统的串口扩展电路，其特征在于，所述第一光耦、第二光耦、第三光耦和第四光耦均选用TLP785，所述TLP785包括引脚1、引脚2、引脚3和引脚4，该4个引脚分别为阳极、阴极、发射端口和集电端口。

6.根据权利要求5所述的一种动态管控系统的串口扩展电路，其特征在于：所述第一光耦的引脚1及第二光耦的引脚2接地；所述第一光耦的引脚2通过R3连接外部设备的接收端口RXD_i；所述第一光耦的引脚3及第二光耦的引脚4并联连接HCF4051的X0~X7中任一输入端口X_i；所述第一光耦的引脚4通过上拉电阻R1连接电源VCC，所述第2光耦的引脚3接地；其中，R1为100 Ω，R3为2 kΩ。

7.根据权利要求6所述的一种动态管控系统的串口扩展电路，其特征在于：所述第三光耦的引脚1通过上拉电阻R6连接电源VCC，引脚2连接74HC138的Y0~Y7中任一输出端口Y_i，引脚3连接外部设备的发射端口TXD_i，引脚4连接+12V直流电；所述第四光耦的引脚1通过上拉电阻R8连接电源VCC，引脚2通过反相器与第三光耦的引脚2并联连接74HC138输出端口Y_i，引脚3通过电阻R10连接-12V直流电，引脚4与第三光耦的引脚3并联连接在外部设备的发射端口TXD_i；其中，R6为1kΩ，R8为2 kΩ，R10为100Ω，所述反相器选用74HC04。

8.一种根据权利要求7所述的一种动态管控系统的串口扩展电路的工作方法，其特征在于，包括微处理器的TXD的扩展方法和RXD的扩展方法；

其中，TXD的扩展方法，具体包括以下步骤：（1）所述微处理器的IO口输出AA、BB、CC选择信号，实现8选1；（2）将74HC138的使能输入端G1连接电源VCC，使能输入端G2B或G2A接地，当使能输入端G2B接地时，使能输入端G2A连接微处理器的TXD端口；当使能输入端G2A接地时，使能输入端G2B 连接微处理器的TXD端口；（3）当微处理器输出AA，BB，CC选择Y1~Y7中任一通道Y_i时，当TXD输出为0时，使能74HC138，使Y_i通道输出0；当TXD输出1时，74HC138不使能，输出全1，对于此时的Y_i通道就为1，实现了TXD端口信号和74HC138输出的信号相同；当74HC138的Y_i通道输出低电平时，第三光耦Q3导通，第四光耦Q4截止，外部设备的发射端口TXD_i为12V；当74HC138的Y_i通道输出高电平时，第三光耦Q3截止，74HC138的Y_i通道信号通过反向器输出0 使第四光耦Q4导通，外部设备的发射端口TXD_i为-12V，完全满足RS232电平要求；

RXD的扩展方法，具体包括以下步骤：（a）所述微处理器的IO口输出AA、BB、CC选择信号，实现8选1；（b）将HCF4051的VCC端口连接电源VCC，VEE端口接地，INH和GND端口接地，X端口连接微处理器的RXD端口；（c）当微处理器输出AA、BB、CC选择HCF4051的输入端口X1~X7中的任一端口X_i端口，当外部设备的接收端口RXD_i由外设输出逻辑电平1即外部设备的输出电压V0介于-3v～-15v时，第一光耦Q1导通，输出电压V0经过电阻R1送入HCF4051的X_i端口，后送到微处理器的RXD端，微处理器的RXD端接收到高电平；当外部设备的接收端口RXD_i由外设输出逻辑电平0即外部设备的输出电压V0为+3～+15v电压，第二光耦Q2导通，第一光耦Q1截止，则HCF4051的X_i口为低电平，后送到微处理器的RXD端，微处理器的RXD端为低电平。