CN109144929B - 一种支持热插拔的rs232通信接口电路 - Google Patents

一种支持热插拔的rs232通信接口电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种支持热插拔RS232通信接口电路，该接口电路以高速运算放大器为核心器件，配备相应的外围器件组成电压缓冲器；采用三级管作为反相器，连续两次反相，获得同相的传输电平，并且也实现了接口电路较宽的电压范围，满足RS232通信频带要求下，实现串口电路的热插拔，满足不同设备间，不同信号电平下的电压需求。接口电路电源电路能够对输入电压进行跟随，并能够克服热插拔过程中的浪涌电压及浪涌电流。本发明集成度高，体积小，电路连接方式简单，故障率低。在出现故障的情况下，也能够便于故障检测与分析，并对故障进行排除与修复。本发明能够用于各个RS232不同信号电平传输情况下，电平转换、信号缓冲、具备热插拔功能、可靠性高。

Description

一种支持热插拔的RS232通信接口电路
技术领域
本发明属于接口通信领域，尤其涉及一种支持热插拔的RS232通信接口电路。
背景技术
串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有以下几种。RS232、RS422与RS485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会(EIA)制定发布的，RS232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。其标准最初是作为远程通信连接数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)与数据通信设备DCE(DataCommunication Equipment)而制定的，因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但是目前来说它又广泛地被借来用于计算机与终端或是外设之间的近端连接标准。这些标准的有些规定和计算机系统不一致。近年来，随着嵌入式系统技术的发展，各种智能设备及仪器等得到了广泛的应用。作为PC计算机与外部设备的常用通信方式的RS232,提出了以下两个方面的需求：
适应不断发展的嵌入式系统硬件设计的要求，在嵌入式开发领域以及智能仪表、智能控制领域，系统的调试在系统开发中占据着重要的位置，而串口则作为满足调试及满足现场集中管理和控制的需要。在调试过程中经常涉及到串口的插拔问题，但串口的协议以及电气标准并为按照热插拔的规定生产。在不能热插拔的条件下，需要不断重复的对调试设备开机、关机操作，很大程度上影响了开发调试的效率以及影响到了嵌入式设备的使用寿命。对于PC机而言，其串口也不具备热插拔的能力，也会带来一定损坏。这就提出了串口具备热插拔的能力的需求。
半导体高速发展，低电压工作条件下的串口通信要求，半导体技术高速发展，如何降低功耗成为了各个半导体公司及芯片生产厂商产品竞争力衡量的重要指标。其中，降低芯片的工作电压就是降低功耗的一个重要手段；特别是涉及一些便携式设备，例如一些穿戴产品用的芯片，而这些穿戴产品在开发过程中往往需要通过串口通信与PC机相连接，完成其开发及调试，而目前市场上的满足这样通信要求的串口通信接口电路并不多见。产生这样的原因是PC的更新换代速度与半导体技术发展上的不平衡导致。
发明内容
本发明的目的在于提供一种支持热插拔的RS232通信接口电路，以满足嵌入式调试、开发及与PC与外部设备RS232通讯的能力，使得不同设备间的RS232信号的电平转换、传输信号缓冲、可支持热插拔、信号毛刺抑制、信号传输快速、稳定、可靠的需求。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种支持热插拔的RS232通信接口电路，包括：信号发送模块、信号接收模块和电源处理模块，
所述信号发送模块包括级联的信号缓冲器和信号反相器，所述信号缓冲器由放大器构成，用于跟踪输入信号并抑制毛刺信号；所述信号反相器由三极管构成，用于对信号缓冲器输出的信号进行电平转换；
所述信号接收模块包括依次级联的信号反相器和信号缓冲器，所述信号反相器与所述信号发送模块的信号反相器结构相同，用于对信号进行电平转换；所述信号缓冲器与所述信号发送模块的信号缓冲器结构相同，用于跟踪电平转换后的信号并抑制毛刺信号；
所述电源处理模块包括电压跟随电路和浪涌抑制电路，所述电压跟随电路由三极管及外围电路构成，用于对输入的电压进行电压跟随并得到稳定的输出电压；所述浪涌抑制电路用于对稳压后的电压信号进行电压和电流的浪涌抑制并输出，输出电压用于给所述信号发送模块和信号接收模块供电。
进一步的，所述信号缓冲器由放大器构成，放大器的同相输入端连接发送信号，反相输入端通过反馈电阻连接放大器的输出端。
进一步的，所述信号反相器由三极管构成，三极管的基极作为信号输入端，发射极连接信号地，集电极作为信号输出端，且集电极通过上拉电阻连接稳压后的电源。
进一步的，所述信号缓冲器及信号反相器的数量均为两个，其中，在所述信号发送模块中，两个信号缓冲器串联后的输出端连接两个信号反相器串联后的输入端；在所述信号接收模块中，两个信号反相器串联后的输出端连接两个信号缓冲器串联后的输入端。
进一步的，所述电压跟随电路由三极管电路构成，其中三极管的集电极分别并联第一滤波电容C1、电阻R1后连接输入电源，第一滤波电容C1的另一端接地，电阻R1的另一端串联第二滤波电容C2后接地；三极管的基极串联第一稳压器Z1后接地，且基极与第一稳压器Z1的连接线与所述电阻R1与第二滤波电容C2的连接线相连；三极管的发射极并联第二稳压器Z2后输出，第二稳压器Z2的另一端接地；
所述浪涌抑制电路包括串联的电感L1和第三滤波电容C3，其中电感L1的一端连接电压跟随电路的输出端，另一端连接第三滤波电容C3，第三滤波电容C3的另一端接地，电感L1和第三滤波电容C3的连接线设置抽头作为电源处理模块的输出端。
进一步的，所述电源模块包括电源A和电源B两部分，其中电源A用于对输入电压为2.5V-3.5V的电源进行电压跟随和浪涌抑制；电源B用于对输入电压为3V-5V的输入电压进行电压跟随和浪涌抑制。
进一步的，所述电源A的输出端连接所述信号接收模块中信号反相器的电源端，为所述信号反相器提供稳定的电压。
进一步的，所述电源B的输出端分别与所述信号发送模块中信号缓冲器的电源端、所述信号接收模块中信号缓冲器的电源端以及所述信号发送模块中信号反相器的电源端连接。
进一步的，所述信号放大器采用低功耗半导体器件。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：串口信号电平转换范围宽，实现不同器件、不同设备间的信号电平转换，同等条件下增强电平匹配能力，本发明的接口电路采用电压跟随器并使用半导体稳压技术等到较为稳定的电压，为所需要转换的电平信号提供较为优质的电源；本发明基于比较成熟的单元电路，能够提供较宽的电压范围，简单可靠；选用性能良好的半导体器件，满足电平转换的同时能够很好地提高信号的传输能力，解决了现有的串口器件芯片能够实现缓冲，但不能宽范围电平转换的问题。
传输信号缓冲能力强，本发明接口电路的信号缓冲器主要由高速运算放大器承担，配备相应的电阻网络组成信号电压跟随器，在满足带宽的条件下，能够很好的实现对信号电平的跟踪。
很好地支持热插拔，热插拔过程中，造成串口通信接口损坏的很重要的原因是浪涌电压以及浪涌电流的存在，本发明从接口电路的供电电源出发采用电压跟随设计，得到稳定电源同时，加入浪涌电压以及浪涌电流抑制电路，这样保证热插拔过程中信号的传输过程中的电平变化不带有浪涌电压及浪涌电流成分，对通信设备两端不造成损坏性影响。
进一步的，在两级信号缓冲器作用下能够很好的隔离两种串口设备间的信号不匹配的问题，对毛刺信号的抑制作用起到了很好的效果。
进一步的，信号传输快速、稳定、可靠高，本发明采用两级缓冲设计不但能够很好的实现传输信号的跟踪还可以抑制毛刺信号，提高了信号传输的稳定性，在缓冲器的运算放大器器件选型上选择带宽大、运算速度快的运算放大器；电路连接方式简单，在电磁兼容方面对信号的传输影响很小。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的电源部分的原理图；
图3为本发明的信号传输部分原理图1；
图4为本发明的信号传输部分原理图2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步介绍。
如图1所示，实际使用中整个操作过程分为插入过程和电平转换过程两部分，在串口设备插入过程中对输入的电源B的电压信号进行电压跟随，之后进行浪涌电压的抑制以及浪涌电流的抑制。从串口设备插入电路中到抑制浪涌电压和浪涌电流需要一定的时间，并不会立刻给信号缓冲器及反相器供电，即此时得到的电源是稳定的VccA。电源B为Tx_A传输路径的一级信号缓冲器、二级信号缓冲器、一级信号反相器和二级信号反相器供电，同时还为Tx_B信号传输路径的一级信号缓冲器和二级信号缓冲器供电。在所需要的电平电压供电电源B接入后，经过电压跟随环节，能很好地跟踪外部提供的电压源，之后进一步进行浪涌电压的抑制和浪涌电流的抑制，从而为信号传输路径上的器件提供一个稳定的电源VccB。电源A为Tx_B信号传输路径上的一级信号反相器和二级信号反相器供电，同时起到电平转换的作用。
下面对接口电路的电源部分和信号传输部分进行分别的介绍，如图2所示，电源接口模块包括电压跟随电路、浪涌抑制电路，接口电路包含两部分电源：电源A和电源B，电源A用于输入2.5V-5V的外部电压，电源B用于输入3V-5V的外部电压，电源A和电源B的电路结构相同。下面对电源A的电路结构进行详细的分析，电源A的电路包括：按照电流方向依次并联的电容C1，电压跟随电路和稳压电路，三者并联后一端连接至输入电源A，其中电容C1用于对外部输入电压进行滤波，C1的另一端接地；电压跟随电路包括三极管Q1，稳压二极管Z1，电阻R1和电容C2，其中，三极管Q1的集电极与电阻R1和电容C1并联后连接电源A，三极管Q1的基极与稳压二极管Z1的负极相连，稳压二极管Z1的正极接地，电阻R1与电容C2串联，电容C2的另一端接地，且电阻R1与电容C1的连接线与三极管Q1的基极与稳压二极管Z1的连接线相连；电压跟随电路的工作原理为：电源A经过R1给C2充电，因为电容C2两端的电压不能突变，因而此时Q1的基极-发射极电压小于Q1的导通电压，Q1处于截止状态；当电容两端的电压上升至Q1导通所需要的基极-发射极电压时，Q1开始导通，导通后的输出电压送至稳压电路进行稳压处理；稳压电路采用稳压二极管Z2实现，稳压二极管Z2的负极与三极管Q1的发射极相连，稳压二极管Z2的正极接地，稳压电路能够有效抑制热插拔过程所带来的浪涌电压；稳压电路的输出端连接有浪涌电流抑制电路，具体的连接方式为：在三极管Q1与稳压二极管Z2的连接线的输出端连接有电感L1，电感L1的另一端串联有电容C3，电容C3的另一端接地，在电感L1与电容C3连接线上设置抽头作为电源的输出端并输出电源VccA，其中电感L1对经由浪涌电压抑制后的输出电压进行浪涌电流抑制，电容C3对经过电流抑制后的电压信号进行滤波，最后输出稳定的电压VccA。
电源B的电路结构与电源A的电路结构相同，差别仅在于所采用的器件型号有所不同以适应对3V-5V的输入电压进行稳压处理和对浪涌电压、浪涌电流进行抑制，得到电压VccB。
如图3和4所示，信号传输路径有两个，分别为Tx_A信号传输、Tx_B信号传输；在Tx_A信号传输路径中，包括一级信号缓冲器、二级信号缓冲器、一级信号反相器和二级信号反相器，其中一级信号缓冲器由运算放大器U1:A和电阻R3组成，放大器的同相输入端连接Tx_A信号，反向输入端通过反馈电阻R3连接至输出端，电源端连接VccB电源信号，接地端连接信号地，输出端的输出信号为Tx_A1；二级信号缓冲器的电路结构与一级信号缓冲器相同，差别在于放大器的放大比参数不同，其中二级信号缓冲器的放大器U1:B的电源端连接VccB，接地端连接信号地，二级信号缓冲器的输出信号为Tx_A2，完成对前一级信号的跟踪，同时也抑制了热插拔及其他因素引起的毛刺信号；一级信号反相器由三极管Q3组成，三极管Q3的基极通过电阻R5连接二级缓冲器的输出信号Tx_A2，三极管Q3的发射极接地，集电极通过电阻R6连接经过稳压处理后的电源VccB，在三极管Q3的集电极与电阻R6的连接线上设置连接抽头作为一级信号反相器的输出端，并输出反相后的信号Tx_A3；二级信号反相器由三极管Q4组成，Q4的基极通过电阻R7连接一级信号反相器的输出信号Tx_A3，Q4的发射极接地，集电极通过电阻R8连接电源VccB，在集电极与电阻R8的连接线上设置连接抽头作为二级信号反相器的输出端，并输出信号Rx_B。经过两级的信号反相后，Tx_A传输回路输出的信号Rx_B与Tx_A信号属于同相位。
在Tx_B信号传输路径中，包括一级信号反相器，二级信号反相器，一级信号缓冲器和二级信号缓冲器，其中一级信号反相器由三极管Q6构成，Q6的基极通过电阻R14连接Tx_B输入信号，Q6的发射极接地，集电极通过电阻R13连接经过稳压处理后的电源VccA，且在集电极与电阻R13的连接线上设置一抽头作为一级信号反相器的信号输出端，并输出经过反相的信号Tx_B1；二级信号反相器由三极管Q5构成，Q5的基极通过电阻R12连接一级信号反相器的信号输出端，发射极接地，集电极通过电阻R11连接电源VccA，在集电极与电阻R11的连接线上设置一抽头作为二级信号反相器的信号输出端，并输出与Tx_B同相的信号Tx_B2。下面以Tx_B信号传输路径中的一级信号反相器为例说明其电平转换的原理，如图3所示，当信号Tx_B处于低电平状态时，三极管Q6处于截止状态，因为Q6的集电极通过电阻R13连接电源VccA，所以此时Tx_B的输出电平Tx_B1接近VccA，这个信号的电平会根据设备A的供电电压的改变而改变；同理，当Tx_B处于高电平时，三极管Q6处于导通状态，此时Q6的集电极被拉低到零电平，其电压接近于零电平，也就是说，Tx_B的输出电平Tx_B1接近于零电平。二级信号反相器的工作原理与一级信号反相器一样，以此通过二次信号反相实现电平的转换。
一级信号缓冲器由放大器U1:D组成，放大器U1:D的同相输入端连接二级信号反相器的信号输出端，放大器U1:D的反相输入端通过电阻R10连接放大器的输出端作为反馈信号，放大器U1:D的输出端输出信号Tx_B3，放大器的电源端连接经过稳压处理后的电源VccB，接地端连接地信号；二级信号缓冲器由放大器U1:C组成，放大器U1:C的同相输入端连接一级信号缓冲器的输出端，反相输入端通过电阻R9连接放大器U1:C的输出端，放大器U1:C的输出端作为二级信号缓冲器的输出端，并输出信号Rx_A，放大器U1:C的电源端连接经过稳压处理后的电源VccB，接地端连接地信号；经过二次反相和二次信号跟随处理，得到与Tx_B同相的信号Tx_A。
通过以上分析可知，通过改变电源A和电源B就可以得到不同电压下的电平转换，使用信号的缓冲和反相功能，能够很好地完成串口两端不同电平信号的隔离，并且能够很好的抑制毛刺信号，从而支持热插拔。

Claims (5)

1.一种支持热插拔的RS232通信接口电路，其特征在于，包括电源处理模块，以及与其连接的信号发送模块和信号接收模块；
所述信号发送模块包括两个级联的信号缓冲器和两个信号反相器，两个信号缓冲器串联后的输出端连接两个信号反相器串联后的输入端；所述信号缓冲器由两个放大器构成，用于跟踪输入信号并抑制毛刺信号，放大器的同相输入端连接发送信号，反相输入端通过反馈电阻连接放大器的输出端；所述信号反相器由三极管构成，用于对信号缓冲器输出的信号进行电平转换，三极管的基极作为信号输入端，发射极连接信号地，集电极作为信号输出端，且集电极通过上拉电阻连接稳压后的电源；
所述信号接收模块包括两个级联的信号反相器和两个信号缓冲器，两个信号反相器串联后的输出端连接两个信号缓冲器串联后的输入端，所述信号反相器与所述信号发送模块的信号反相器结构相同，用于对信号进行电平转换；所述信号缓冲器与所述信号发送模块的信号缓冲器结构相同，用于跟踪电平转换后的信号并抑制毛刺信号；
所述电源处理模块包括电压跟随电路和浪涌抑制电路，所述电压跟随电路由三极管及外围电路构成，用于对输入的电压进行电压跟随并得到稳定的输出电压；所述浪涌抑制电路用于对稳压后的电压信号进行电压和电流的浪涌抑制并输出，输出电压用于给所述信号发送模块和信号接收模块供电；
所述电压跟随电路由三极管电路构成，其中三极管的集电极分别并联第一滤波电容C1、电阻R1后连接输入电源，第一滤波电容C1的另一端接地，电阻R1的另一端串联第二滤波电容C2后接地；三极管的基极串联第一稳压器Z1后接地，且基极与第一稳压器Z1的连接线与所述电阻R1与第二滤波电容C2的连接线相连；三极管的发射极并联第二稳压器Z2后输出，第二稳压器Z2的另一端接地；
所述浪涌抑制电路包括串联的电感L1和第三滤波电容C3，其中电感L1的一端连接电压跟随电路的输出端，另一端连接第三滤波电容C3，第三滤波电容C3的另一端接地，电感L1和第三滤波电容C3的连接线设置抽头作为电源处理模块的输出端。
2.如权利要求1所述的一种支持热插拔的RS232通信接口电路，其特征在于，所述电源模块包括电源A和电源B两部分，其中电源A用于对输入电压为2.5V-3.5V的电源进行电压跟随和浪涌抑制；电源B用于对输入电压为3V-5V的输入电压进行电压跟随和浪涌抑制。
3.如权利要求2所述的一种支持热插拔的RS232通信接口电路，其特征在于，所述电源A的输出端连接所述信号接收模块中信号反相器的电源端，为所述信号反相器提供稳定的电压。
4.如权利要求2所述的一种支持热插拔的RS232通信接口电路，其特征在于，所述电源B的输出端分别与所述信号发送模块中信号缓冲器的电源端、所述信号接收模块中信号缓冲器的电源端以及所述信号发送模块中信号反相器的电源端连接。
5.如权利要求1所述的一种支持热插拔的RS232通信接口电路，其特征在于，所述信号放大器采用低功耗半导体器件。
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