CN115309683A - 串口自适应切换电路及通讯设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种串口自适应切换电路及通讯设备，包括：第一转换支路采用第一转换芯片对第一差分对信号进行转换后经第一三态门电路输出；第二转换支路采用第二转换芯片对第二差分对信号进行转换后输出，第二/三三态门电路分别依据第二转换芯片的输入信号控制第二芯片的输入和输出使能；第三转换支路，第三转换支路采用第三转换芯片对信号进行转换，并通过两个差分信号对的负极引线进行接收和发送；三输入与门电路对三个转换支路的输出进行逻辑运算之后输出给控制器，控制器向第二/三转换芯片输出信号。本发明提供的串口自适应切换电路，能够依据使能信号自适应实现串口的切换，采用两组差分对引线形成对外接口即可适用于多种串口通讯协议。

Description

串口自适应切换电路及通讯设备

技术领域

本发明涉及串口通信技术领域，尤其涉及一种串口自适应切换电路及通讯设备。

背景技术

由于应用现场环境的差异，以及各设备厂商对于产品的接口规划差异，现场安装调试员必须根据实际情况更改串口的通讯介质方式。市面上的设备厂商出厂的设备，其可选的接口具有多种，例如，出厂的设备可以选用RS-232、RS-422、RS-485当中的1到2种。如果在已安装有其中一种接口设备的基础上更改或者新增另外的通讯接口，就需要工作人员更换有对应接口的设备；浪费了人力物力的同时，还增加了新设备调测的困难及风险。即使产品同时支持RS-232、RS-422、RS-485三种接口往往也是在主板上单独设计电路，单独输出对外接口，并且需要从MCU/CPU端迁出3组独立的UART总线。不仅成本高，而且结构复杂，接口所使用的连接器也相对较多，导致机壳尺寸偏大。不利于产品往小型化低成本演进。

发明内容

本发明提供的串口自适应切换电路，能够依据使能信号自适应实现串口的切换，采用两组差分对引线形成对外接口即可适用于多种串口通讯协议。

第一方面，本发明提供一种串口自适应切换电路，其特征在于，包括：

第一转换支路，具有第一差分对引线、第一转换芯片和第一三态门电路，第一差分对引线用于将第一数据收发设备与第一转换芯片连接；第一转换芯片与第一三态门电路连接，第一转换芯片用于将第一数据收发设备经第一差分对引线输出的第一差分对信号转换为第一逻辑电平信号，第一逻辑电平信号经第一三态门电路进行逻辑运算后输出；

第二转换支路，具有第二差分对引线、第二转换芯片、第二三态门电路和第三三态门电路；第二差分对引线用于将第一数据收发设备与第二转换芯片连接，第二转换芯片与第二三态门电路和第三三态门电路连接；第二转换芯片还用于连接第二数据收发设备，第二转换芯片用于将第一数据收发设备经第二差分对引线输出的第二差分对信号转换为第二逻辑电平信号输出至第二数据收发设备以及将第二数据收发设备发出的第三逻辑电平信号转换为第二差分对信号输出至第二差分对引线，第二三态门电路依据第三逻辑电平信号对第二转换芯片的输出引脚使能，第三三态门电路依据第三逻辑电平信号对第二转换芯片的输入引脚使能；

第三转换支路，具有第三转换芯片和第四三态门电路，第三转换芯片与第一差分对引线和第二差分对引线的负极引线连接，第三转换芯片还与第四三态门电路连接，第三转换芯片还用于连接第二数据收发设备；第三转换芯片将第一数据收发设备经第一差分对引线的负极引线输出的负极引线信号转换为第四逻辑电平信号，第四逻辑电平信号经第四三态门电路逻辑运算后输出；第三转换芯片将第二数据收发设备发出的第三逻辑电平信号转换为串口电平信号向第二差分对引线的负极引线发送；

三输入与门电路，分别连接第一三态门电路、第二转换芯片和第四三态门电路，三输入与门电路还用于连接第二数据收发设备；三输入与门电路接收第一三态门电路、第二转换芯片和第四三态门电路的输出信号并进行与运算后向第二数据收发设备输出；

控制电路，分别连接第一三态门电路、第二三态门电路、第三三态门电路、第四三态门电路、第一转换芯片以及第三转换芯片；控制电路用于输出第一使能信号和第二使能信号，以使第一数据收发设备与第二数据收发设备之间的串口通信协议匹配；第一三态门电路、第二三态门电路、第三三态门电路、第一转换芯片和第三转换芯片被第一使能信号使能；第四三态门电路被第二使能信号使能，第一使能信号和第二使能信号为互斥的使能信号。

可选地，第一差分对引线与第一转换芯片的差分对引脚连接；

第一转换芯片的输出引脚与第一三态门电路输入接口连接；

第一三态门电路的输出引脚与三输入与门电路的第一输入接口连接；

其中，第一差分对引线分别具有第一上拉电阻和第一下拉电阻，第一三态门电路的输出引脚具有第二上拉电阻。

可选地，还包括第一三极管；

第二差分对引线与第二转换芯片的差分对引脚连接；

第二转换芯片的输入引脚与第一三极管的基极连接，第二转换芯片的输入引脚还用于连接第二数据收发设备的发送接口；第二转换芯片的输出引脚与三输入与门电路的第二输入接口连接，第二转换芯片的输出引脚具有第三上拉电阻；

第一三极管的集电极用于经第三上拉电阻与供电电压源连接，第一三极管的集电极还与第二三态门电路和第三三态门电路的输入接口连接，第一三极管的发射极接地；

第二三态门电路的输出引脚与第二转换芯片的输出使能引脚连接，第三三态门电路的输出引脚与第二转换芯片的接收使能引脚连接；

其中，第二三态门电路的输出引脚具有第四上拉电阻，第三三态门电路的输出引脚具有第二下拉电阻；第二差分对引线分别具有第五上拉电阻和第六下拉电阻。

可选地，第三转换芯片的接收引脚与第一差分对引线的负极引线连接，第三转换芯片的发送引脚与第二差分对引线的负极引线连接，第三转换芯片的输入引脚与第一三极管的集电极连接，第三转换芯片的输出引脚与第四三态门电路的输入引脚连接；

第四三态门电路的输出引脚与三输入与门电路的第三输入接口连接；

其中，第四三态门电路的输出引脚具有第六上拉电阻。

可选地，控制电路包括：

第一电阻，第一电阻的第一端接地；

第二电阻，第二电阻的第一端用于与供电电压源连接；

第三电阻，第三电阻的第一端具有拨码开关，拨码开关能与第一电阻的第二端或第二电阻的第二端连接；

第二三极管，第二三极管的基极与第三电阻的第二端连接，第二三极管的发射极接地；

第四电阻，第四电阻的第一端与第二三极管的集电极连接，第四电阻的第二端用于与供电电压源连接；

第三电阻的第一端输出第一使能信号，第四电阻的第一端输出第二使能信号。

可选地，还包括第一保护电路；第一保护电路包括：

第一瞬态二极管，第一瞬态二极管的第一端与差分对引线中的正极引线连接，第一瞬态二极管的第二端接地；

第二瞬态二极管，第二瞬态二极管的第一端与差分对引线中的负极引线连接，第二瞬态二极管的第二端接地；

双向齐纳二极管，双向齐纳二极管的第一端与差分对引线中的负极引线连接，双向齐纳二极管的第二端接地。

可选地，还包括第二保护电路和第三保护电路；

第二保护电路包括：

正极保护电阻，正极保护电阻串联在差分对引线的正极引线中，正极保护电阻的第一端通过引线与物理接口连接，正极保护电阻的第二端与第一瞬态二极管的第一端连接；

负极保护电阻，负极保护电阻串联在差分对引线的负极引线中，负极保护电阻的第一端通过引线与物理接口连接，负极保护电阻的第二端与第二瞬态二极管的第一端连接。

第三保护电路包括：

第一压敏电阻，第一压敏电阻的第一端与正极保护电阻的第一端连接；

第二压敏电阻，第二压敏电阻的第一端与负极保护电阻的第二端连接；

气体放电管，气体放电管的第一端与第一压敏电阻的第二端和第二压敏电阻的第二端连接，气体放电管的第二端接地。

可选地，还包括连接接口，连接接口包括五个引脚，其中四个引脚分别与第一差分对引线和第二差分对引线一一对应地连接，另一个引脚与接地的引线连接。

可选地，与第一差分对引线连接的两个引脚相邻设置，与第二差分对引线连接的两个引脚相邻设置。

第二方面，本发明提供一种通讯设备，包括上述任一项的串口自适应切换电路。

在本发明提供的技术方案中，通过第一使能信号和第二使能信号的使能，使三个转换芯片和四个三态门电路对不同引线上的信号进行转换和输出，能够将多种串口通讯协议的引线使用情况进行区分。整个电路配合使能信号能够自适应的实现对多种串口通信协议的匹配，无需控制器的控制，也不需要单独设置多个协议的接口。基于本发明提供的技术方案，能够提高串口切换过程中的稳定性、可靠性以及易操作性，减少了现场安装调试人员的出错概率，同时，本发明提供的技术方案使用的硬件种类少，成本低，降低了电路成本。

附图说明

图1为本发明一实施例串口自适应切换电路的原理图；

图2为本发明另一实施例串口自适应切换电路RS-232接口电压范围示意图；

图3为本发明另一实施例串口自适应切换电路RS-485/RS-422接口电压范围示意图；

图4为本发明另一实施例串口自适应切换电路对RS-232接口电压范围进行限制的示意图；

图5为本发明另一实施例串口自适应切换电路的拨码开关控制电路示意图；

图6为本发明另一实施例串口自适应切换电路的保护电路示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

本发明实施例提供一种串口自适应切换电路，如图1所示，包括：

第一转换支路，具有第一差分对引线、第一转换芯片和第一三态门电路，第一差分对引线用于将第一数据收发设备与第一转换芯片连接；第一转换芯片与第一三态门电路连接，第一转换芯片用于将第一数据收发设备经第一差分对引线输出的第一差分对信号转换为第一逻辑电平信号，第一逻辑电平信号经第一三态门电路进行逻辑运算后输出；

第二转换支路，具有第二差分对引线、第二转换芯片、第二三态门电路和第三三态门电路；第二差分对引线用于将第一数据收发设备与第二转换芯片连接，第二转换芯片与第二三态门电路和第三三态门电路连接；第二转换芯片还用于连接第二数据收发设备，第二转换芯片用于将第一数据收发设备经第二差分对引线输出的第二差分对信号转换为第二逻辑电平信号输出至第二数据收发设备以及将第二数据收发设备发出的第三逻辑电平信号转换为第二差分对信号输出至第二差分对引线，第二三态门电路依据第三逻辑电平信号对第二转换芯片的输出引脚使能，第三三态门电路依据第三逻辑电平信号对第二转换芯片的输入引脚使能；

第三转换支路，具有第三转换芯片和第四三态门电路，第三转换芯片与第一差分对引线和第二差分对引线的负极引线连接，第三转换芯片还与第四三态门电路连接，第三转换芯片还用于连接第二数据收发设备；第三转换芯片将第一数据收发设备经第一差分对引线的负极引线输出的负极引线信号转换为第四逻辑电平信号，第四逻辑电平信号经第四三态门电路逻辑运算后输出；第三转换芯片将第二数据收发设备发出的第三逻辑电平信号转换为串口电平信号向第二差分对引线的负极引线发送；

三输入与门电路，分别连接第一三态门电路、第二转换芯片和第四三态门电路，三输入与门电路还用于连接第二数据收发设备；三输入与门电路接收第一三态门电路、第二转换芯片和第四三态门电路的输出信号并进行与运算后向第二数据收发设备输出；

控制电路，分别连接第一三态门电路、第二三态门电路、第三三态门电路、第四三态门电路、第一转换芯片以及第三转换芯片；控制电路用于输出第一使能信号和第二使能信号，以使第一数据收发设备与第二数据收发设备之间的串口通信协议匹配；第一三态门电路、第二三态门电路、第三三态门电路、第一转换芯片和第三转换芯片被第一使能信号使能；第四三态门电路被第二使能信号使能，第一使能信号和第二使能信号为互斥的使能信号。

在图1中，A为经过保护电路过来的5个信号脚，包括TX+/-,RX+/-,GND，另外TX/RX为RS232的复用引脚；由于接地引脚与转换电路之间没有直接的信号传递，在图中未予示出。U1、U2和U3分别为第一转换芯片、第二转换芯片和第三转换芯片，其中U1和U2型号例如可以为SP485EEN。U2单独作为RS-485转换芯片，U1和U2共同构成RS-422转换电路；U3为RS-232转换芯片，型号例如可以为SP3243EEA。H1、H2、H3和H4为分别芯片U4内部的第一三态门电路、第二三态门电路、第三三态门电路和第四三态门电路，U4型号例如可以为AIP74HC125。U5为三输入逻辑与门，型号为SN74LVC1G11DCKR；U6为MCU/CPU。信号REN为芯片U2 RX的使能控制脚，低电平有效；信号DEN为芯片U2 TX的使能控制脚，高电平有效；U3芯片22脚为TX和RX使能脚，为1高电平时TX和RX均使能，为0低电平时，TX和RX均不使能。CON和CON-1分别表示第一使能信号和第二使能信号。

在本实施方式中，第一差分对引线包括RX+/-引线，第二差分对引线包括TX+/-引线，在对外的接口中，还应当包括接地引线，由于接地引线与转换电路中没有直接的信号传递关系，在图中未予示出。依据本实施方式中的技术方案，多种串口的引脚定义可以依照下表进行定义：

如图2所示，当外部接入为RS-232接口时，由于RS-232协议规定逻辑电平规定：逻辑1＝-3V～-15V，逻辑0＝+3V～+15V；如图3所示，当外部接入为RS-485/RS-422接口时，对于发送端：逻辑1是以两线电压差+2～+6V，逻辑0是以两线电压差-2～-6V；对于接收端：(T+)-(T-)≥0.2V，表示信号“1”，(T+)-(T-)≤0.2V，表示信号“0”。对于现有技术来说，通常将RX-232的TX和RX信号与RS-422的TX+和TX-复用，此时，因为RS-232工作模式为全双工，而RS-422的TX为差分线(TX+和TX-)，如果RS-232同时收发时，在TX和RX之间存在高达30V的压差，由于硬件上同时接入了RS-422的收发器IC，会造成RS-422的收发器IC受损或者损坏。

为了避免上述的情况，本实施方式中，首先改变了复用的线序，将RS-232的TX和RX与两个差分对引线中的各一条引线进行复用，根本上杜绝了RS-232的TX和RX与RS-422的TX或者RX差分线复用，这样就不会存在高压30V同时作用于一个收发器。再通过电路的设计和使能信号的设计，使得再接入RS-232、RS-422或RS-485设备时，能够自适应的匹配对应的通信协议进行工作。

在本实施例提供的技术方案中，通过第一使能信号和第二使能信号的使能，使三个转换芯片和四个三态门电路对不同引线上的信号进行转换和输出，能够将多种串口通讯协议的引线使用情况进行区分。整个电路配合使能信号能够自适应的实现对多种串口通信协议的匹配，无需控制器的控制，也不需要单独设置多个协议的接口。基于本实施例提供的技术方案，能够提高串口切换过程中的稳定性、可靠性以及易操作性，减少了现场安装调试人员的出错概率，同时，本发明提供的技术方案使用的硬件种类少，成本低，降低了电路成本。

作为一种可选的实施方式，继续如图1所示，第一差分对引线与第一转换芯片的差分对引脚连接；

第一转换芯片的输出引脚与第一三态门电路输入接口连接；

第一三态门电路的输出引脚与三输入与门电路的第一输入接口连接；

其中，第一差分对引线分别具有第一上拉电阻和第一下拉电阻，第一三态门电路的输出引脚具有第二上拉电阻。

在一些实施例中，第一差分对引线的上拉电阻和下拉电阻，能够使第一差分对引线在没有信号时，保持差分电压，使得其出输出保持固定。例如，当第一使能信号CON＝0，第二使能信号CON_1＝1时，以外部为RS-485串口总线时为例，U1的2脚为低电平0，1脚可接收数据，但是由于外部接线RX+和RX-悬空未接，RX+和RX-的信号电平由外部上下拉电阻决定，此时RX+由上拉电阻R11置高电平1，RX-由下拉电阻R12置低电平0；由于RS-422/RS-485均是差分线传输，当(RX+)-(RX-)>2V时，为高电平1，可知此时RXD422信号为高电平1，RX_422＝1。第一三态门电路的上拉电阻能够在第一三态门电路未使能时，保持固定的输出，例如，当第一使能信号CON＝1，第二使能信号CON_1＝0时，以外部为RS-232串口总线时，此时H1的三态门电路的控制脚1为高电平，处于不使能状态，三态门输出高阻态，对应的信号RX_422由于外部电阻R7上拉，输出高电平1，也即RX_422＝1。

作为一种可选的实施方式，继续如图1所示，还包括第一三极管；

第二差分对引线与第二转换芯片的差分对引脚连接；

第二转换芯片的输入引脚与第一三极管的基极连接，第二转换芯片的输入引脚还用于连接第二数据收发设备的发送接口；第二转换芯片的输出引脚与三输入与门电路的第二输入接口连接，第二转换芯片的输出引脚具有第三上拉电阻；

第一三极管的集电极用于经第三上拉电阻与供电电压源连接，第一三极管的集电极还与第二三态门电路和第三三态门电路的输入接口连接，第一三极管的发射极接地；

第二三态门电路的输出引脚与第二转换芯片的输出使能引脚连接，第三三态门电路的输出引脚与第二转换芯片的接收使能引脚连接；

其中，第二三态门电路的输出引脚具有第四上拉电阻，第三三态门电路的输出引脚具有第二下拉电阻；第二差分对引线分别具有第五上拉电阻和第六下拉电阻。

在一些实施例中，第二差分对引线的上拉电阻和下拉电阻能够使得接收引脚不使能的状态下，保持差分电位。例如，当第一使能信号CON＝0，第二使能信号CON_1＝1时，对于RS-422，在没有数据发送时，默认U2的4脚TXD＝1，TXD控制三极管Q2导通，输出低电平0。而此时三态门H2和H3是使能状态，信号REN＝0,DEN＝0。U2的TX不使能，U2的RX接收使能，由于信号TX+/A上拉，TX-/B下拉，此时对于差分传输的RS-422通信，(TX+/A)-(TX-/B)>2V时，为高电平1，即RX_485＝1；有数据TXD＝1发送时，三极管Q2导通，输出低电平0，此时REN＝0，DEN＝0；U2的TX不使能，但是由于信号TX+/A上拉，TX-/B下拉，此时对于差分传输的RS-422通信，(TX+/A)-(TX-/B)>2V，对外输出仍为高电平1；而U2的RX使能，也可以接收到(TX+/A)-(TX-/B)>2V的高电平1，则RX_485＝1；有数据TXD＝0发送时，三极管Q2截止，输出高电平1，此时REN＝1，DEN＝1；U2的TX使能，正常发送数据0；而U2的RX不使能，RX_485无数据，通过上拉电阻R15置高电平1，即RX_485＝1。而第二三态门电路的上拉电阻和第三三态门的下拉电阻则是为了在不使能状态下也能够输出正确的信号。例如，CON＝1,CON_1＝0时，外部为RS-232总线时，H2和H3不使能，输出高阻态，对应信号REN由于外部的电阻R8上拉，输出高电平1(REN＝1)，U2的RX不接收，RX_485信号由于外部电阻R15上拉，为高电平1(RX_485＝1)；对应的信号DEN由于外部电阻R9的下拉，输出低电平0(DEN＝0)，U2的TX不发送数据，即U2的4脚无数据发送。

作为一种可选的实施方式，继续如图1所示，第三转换芯片的接收引脚与第一差分对引线的负极引线连接，第三转换芯片的发送引脚与第二差分对引线的负极引线连接，第三转换芯片的输入引脚与第一三极管的集电极连接，第三转换芯片的输出引脚与第四三态门电路的输入引脚连接；

第四三态门电路的输出引脚与三输入与门电路的第三输入接口连接；

其中，第四三态门电路的输出引脚具有第六上拉电阻。

在一些实施例中，第四三态门的输出具有上拉电阻，能够在第四三态门未使能的状态下向外输出正确的信号。例如，CON＝0，CON_1＝1时，U3的22脚为低电平0，U3对应TX和RX均无效不能正常收发数据，则H4三态门输出高阻，由于外部上拉电阻R10的存在，RX_232＝1。

作为一种可选的实施方式，如图5所示，控制电路包括：

第一电阻，第一电阻的第一端接地；

第二电阻，第二电阻的第一端用于与供电电压源连接；

第三电阻，第三电阻的第一端具有拨码开关，拨码开关能与第一电阻的第二端或第二电阻的第二端连接；

第二三极管，第二三极管的基极与第三电阻的第二端连接，第二三极管的发射极接地；

第四电阻，第四电阻的第一端与第二三极管的集电极连接，第四电阻的第二端用于与供电电压源连接；

第三电阻的第一端输出第一使能信号，第四电阻的第一端输出第二使能信号。

在一些实施例中，图5中S1为拨码开关，R1、R2、R3、R4分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，Q1为三极管。当拨码开关S1的公共端“3”拨到“1”位置时，控制信号CON通过R2上拉为高电平，记为逻辑“1”，此时Q1三极管导通，CON_1信号被拉低，记为逻辑“0”；当拨码开关S1的公共端“3”拨到“2”位置时，控制信号CON通过R1下拉为低电平，记为逻辑“0”，此时Q1三极管截止，CON_1信号被R4上拉置高电平，记为逻辑“1”。通过控制拨码开关接通位置，定义信号CON＝1,CON_1＝0时，为RS-232通信接口；信号CON＝0,CON_1＝1时，根据现场接线情况为RS-485或者RS-422二选一通信接口；逻辑对应下表所示：

对于上述的各实施方式，如图1所示，进行具体的收发数据过程分析如下：

当拨码开关控制信号CON＝1,CON_1＝0时，默认选择RS-232接口，外部接线端子按照表一管脚复用说明正确接线。此时H1,H2,H3三个三态门的控制脚1,4,10均为高电平1，不使能，三态门输出高阻态，对应的信号RX_422由于外部电阻R7上拉，输出高电平1(RX_422＝1)，对应信号REN由于外部的电阻R8上拉，输出高电平1(REN＝1)，U2的RX不接收，RX_485信号由于外部电阻R15上拉，为高电平1(RX_485＝1)；对应的信号DEN由于外部电阻R9的下拉，输出低电平0(DEN＝0)，U2的TX不发送数据，即U2的4脚无数据发送。CON_1＝0,三态门H4控制脚为低电平0有效，RXD232信号正常输出到RX_232。对应U3的22脚信号CON＝1，U3的TX和RX均处于使能状态，收发器U3正常工作在全双工模式；此时MCU/CPU给过来的TXD信号仅通过U3收发器发送数据出去。同时由于RX_422＝1、RX_485＝1，经过三输入与门U5后，RXD信号的电平完全取决于RX_232，即U3的17脚信号RXD232。由此，物理链路上可正常收发RS-232总线数据。完成RS-232通信。

当拨码开关控制信号CON＝0,CON_1＝1时，默认选择RS-422或者RS-485接口。分两种情况讨论，

其中一种情况，如果外部为RS-485串口总线时，根据表一管脚复用说明正确接入RS-485；分析此时CON＝0,U3的22脚为低电平0，U3对应TX和RX均无效不能正常收发数据，则H4三态门输出高阻，由于外部上拉电阻R10的存在，RX_232＝1。U1的2脚为低电平0,1脚可接收数据，但是由于外部接线RX+和RX-悬空未接，RX+和RX-的信号电平由外部上下拉电阻决定，此时RX+由上拉电阻R11置高电平1，RX-由下拉电阻R12置低电平0；由于RS-422/RS-485均是差分线传输，当(RX+)-(RX-)>2V时，为高电平1，可知此时RXD422信号为高电平1，RX_422＝1；而对于RS-485，由于是半双工模式，在没有数据发送时，默认U2的4脚TXD为1高电平，TXD控制三极管Q2导通，输出低电平0。而此时三态门H2和H3是使能状态，信号REN＝0，DEN＝0，U2的TX无效不使能，RX使能，默认此状态下为RX接收模式。同时由于RX_422＝1、RX_232＝1，经过三输入与门U5后，RXD信号的电平完全取决于RX_485。由此，物理链路上可正常接收RS-485总线的RX数据。

当MCU/CPU控制RS-485的TX发送模式时，同时分2种情况，当TXD＝1时，逻辑原理参考上述描述，此时虽然U2的RX使能了，但是由于RS-485工作在半双工模式下，所以对于RX没有任何影响；当TXD＝0时，TXD控制三极管Q2截止，输出高电平1。而此时三态门H2和H3是使能状态，信号REN＝1,DEN＝1，此时RX不使能，TX使能，可以正常发送数据。

另一种情况，如果外部为RS-422串口总线时，根据表一管脚复用说明正确接入RS-422；分析此时CON＝0,U3的22脚为低电平0，U3对应TX和RX均无效不能正常收发数据。同上可知，RX_232＝1；对于RS-422，在没有数据发送时，默认U2的4脚TXD＝1，TXD控制三极管Q2导通，输出低电平0。而此时三态门H2和H3是使能状态，信号REN＝0,DEN＝0。U2的TX不使能，U2的RX接收使能，由于信号TX+/A上拉，TX-/B下拉，此时对于差分传输的RS-422通信，

(TX+/A)-(TX-/B)>2V时，为高电平1(RX_485＝1)；对于U1，2脚为低电平0使得1脚正常接收数据，RXD_422信号电平完全取决外部发送过来的信号，同时由于RX_485＝1、RX_232＝1，经过三输入与门U5后，RXD信号的电平完全取决于RX_422。由此，物理链路上可正常接收RS-422总线的RX数据。另外一种情况时RS-422为全双工模式，当U2的TX发送数据时，U1的RX能同时正常接收。分析：

当有数据TXD＝1发送时，三极管Q2导通，输出低电平0，此时REN＝0，DEN＝0；U2的TX不使能，但是由于信号TX+/A上拉，TX-/B下拉，此时对于差分传输的RS-422通信，(TX+/A)-(TX-/B)>2V，对外输出仍为高电平1；而U2的RX使能，也可以接收到(TX+/A)-(TX-/B)>2V的高电平1，则RX_485＝1；U1的2脚为低电平0，使能RX，RXD422正常接收到数据，同时由于RX_485＝1、RX_232＝1，经过三输入与门U5后，RXD信号的电平完全取决于RX_422。由此，物理链路上可正常收发RS-422数据。

当有数据TXD＝0发送时，三极管Q2截止，输出高电平1，此时REN＝1，DEN＝1；U2的TX使能，正常发送数据0；而U2的RX不使能，RX_485无数据，通过上拉电阻R15置高电平1(RX_485＝1)。U1的2脚为低电平0，使能RX，RXD422正常接收到数据，同时由于RX_485＝1、RX_232＝1，经过三输入与门U5后，RXD信号的电平完全取决于RX_422。由此，物理链路上可正常收发RS-422数据。

综合上述分析，当外部接线正确遵循引脚定义时，通过控制拨码开关即可选择RS-232、RS-485、RS-422三种通信中的一种，真正实现了三合一的设计。汇总以上关键控制信号逻辑对应的通信方式如下表：

作为一种可选的实施方式，如图6所示，第一差分对引线和第二差分对引线均具有第一保护电路，即图中的三级保护电路；第一保护电路包括：

第一瞬态二极管，第一瞬态二极管的第一端与差分对引线中的正极引线连接，第一瞬态二极管的第二端接地；

第二瞬态二极管，第二瞬态二极管的第一端与差分对引线中的负极引线连接，第二瞬态二极管的第二端接地；

双向齐纳二极管，双向齐纳二极管的第一端与差分对引线中的负极引线连接，双向齐纳二极管的第二端接地。

在一些实施例中，保护电路中分为了两种情况，TX+/A信号上没有复用RS-232的引脚，只需要增加双向TVS管即可，TVS管可以将二级保护电路后的残压吸收掉，将电压可靠地钳位在安全范围内。通过分析发现，我们常用的RS-482/RS-422收发器转换芯片SP3485,引脚最大允许电压为12V，故TVS1建议击穿电压规格在12V左右。针对TX-/B信号，因为复用RS-232的引脚，而RS-232接口电平中规定最大对地电压可达15V，所以保护电路中TVS2与TVS1一样是双向TVS管，但击穿电压选择16V左右，一方面保证了RS-232接口使用时的正常电压电平，另一方面也跟TVS1一样对RG2后的残压有效的吸收。同时增加了DD1，DD1为双向齐纳二极管，也称为稳压管。使用规格为7V左右。主要考虑SP3485收发器转换芯片的耐压在-7V到+12V之间。无论是RS-232接口的信号、RS-485接口信号还是RS-422接口信号，当电压电平＞7V时，均会被DD1稳压管稳定在7V，即不影响各接口正常通信，也有效的保护了后级的收发器芯片。此时，此时如果接入为RS-485/RS-422接口时，不影响逻辑判断；如果接入RS-232，电压会被限制在±7V，其限制示意如图4所示，即符合RS-232逻辑判断范围，也不会因为电压过高损坏SP3485收发器转换芯片。

作为一种可选的实施方式，继续如图6所示，还包括第二保护电路和第三保护电路；

第二保护电路，即图中的二级保护电路，包括：

正极保护电阻，正极保护电阻串联在差分对引线的正极引线中，正极保护电阻的第一端通过引线与物理接口连接，正极保护电阻的第二端与第一瞬态二极管的第一端连接；

负极保护电阻，负极保护电阻串联在差分对引线的负极引线中，负极保护电阻的第一端通过引线与物理接口连接，负极保护电阻的第二端与第二瞬态二极管的第一端连接。

在一些实施例中，采用正极保护电阻和负极保护电阻，针对瞬态大电流泄放过程中产生的感应尖峰电压进行限制。通过电阻的串联，一定程度上也防止了高压雷击信号第一时间到达TVS管。

作为一种可选的实施方式，继续如图6所示，第三保护电路，即图中的一级保护电路，包括：

第一压敏电阻，第一压敏电阻的第一端与正极保护电阻的第一端连接；

第二压敏电阻，第二压敏电阻的第一端与负极保护电阻的第二端连接；

气体放电管，气体放电管的第一端与第一压敏电阻的第二端和第二压敏电阻的第二端连接，气体放电管的第二端接地。

在一些实施例中，使用压敏电阻RV1、RV2和气体放电管GD1构成一级保护电路，压敏电阻本身有较大的寄生电容，而气体放电管寄生电容很小，串联后寄生电容非常小。另外压敏电阻虽然响应时间快，但是其泄露电流较大，配合泄露电流小的气体放电管可形成有效的保护。提供了线线间和线地间的防雷击过压保护，利用它的快速反应特性能使雷击电压被迅速泄放。

作为一种可选的实施方式，还包括连接接口，连接接口包括五个引脚，其中四个引脚分别与第一差分对引线和第二差分对引线一一对应地连接，另一个引脚与接地的引线连接。

作为一种可选的实施方式，与第一差分对引线连接的两个引脚相邻设置，与第二差分对引线连接的两个引脚相邻设置。

在一些实施例中，上述的引脚设置方式与前述的引脚定义表格对应。依前述的引脚定义表格以及控制信号逻辑表格所示，在拨码开关输出高电平时，即，CON＝1，CON_1＝0时，U5的RX-485和RX-422为高电平，U5的输出信号与RX-232相同，即，第二数据收发设备能够接收到第一数据收发设备经RX-对应的引脚发送的数据。此时U2的DEN引脚不使能，仅有U3能够将第二数据收发设备的TXD的信号经转换后再由TX-向第一数据收发设备发送。当拨码开关输出低电平时，即，CON＝0，CON_1＝1时，如果接入RS-485信号，则U5的RX-232引脚和RX-422引脚为高电平，此时，U5的输出与RX-485引脚的信号相同。此时，第一数据收发设备的差分信号能够经U2转换后向第二数据收发设备发送。由于RS-485的引脚中，RX+和RX-的为悬空引脚，因此，第一数据收发设备不会收到第二数据收发设备的发送的信息。如果接入的是RS-422信号，U5的RX-232和RX-485引脚均为高电平，即U5向第二数据收发设备输出的信号与RS-422信号相同。此时，第一数据收发设备的差分信号能够经U1转换后发送至第二数据设备。由于此时RX+和RX-均有对应的引脚，此时，对于第二数据收发设备发送的信号，能够经U2转换通过RX+和RX-发送至第一数据收发设备。

本发明实施例还提供一种通讯设备，包括上述任一项的串口自适应切换电路。

该通讯设备用于分别连接第一数据收发设备和第二数据收发设备，以使第一数据收发设备和第二数据收发设备之间的串口通信协议自适应匹配，从而支持第一数据收发设备和第二数据收发设备之间进行数据传输。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种串口自适应切换电路，其特征在于，包括：

第一转换支路，具有第一差分对引线、第一转换芯片和第一三态门电路，所述第一差分对引线用于将第一数据收发设备与所述第一转换芯片连接；所述第一转换芯片与所述第一三态门电路连接，所述第一转换芯片用于将所述第一数据收发设备经所述第一差分对引线输出的第一差分对信号转换为第一逻辑电平信号，所述第一逻辑电平信号经所述第一三态门电路进行逻辑运算后输出；

第二转换支路，具有第二差分对引线、第二转换芯片、第二三态门电路和第三三态门电路；所述第二差分对引线用于将所述第一数据收发设备与所述第二转换芯片连接，所述第二转换芯片分别与所述第二三态门电路和所述第三三态门电路连接；所述第二转换芯片还用于连接所述第二数据收发设备，所述第二转换芯片用于将所述第一数据收发设备经所述第二差分对引线输出的第二差分对信号转换为第二逻辑电平信号，并将所述第二逻辑电平信号输出至所述第二数据收发设备，以及将所述第二数据收发设备发出的第三逻辑电平信号转换为第二差分对信号，并将所述第二差分对信号输出至所述第二差分对引线，所述第二三态门电路依据所述第三逻辑电平信号对所述第二转换芯片的输出引脚使能，所述第三三态门电路依据所述第三逻辑电平信号对所述第二转换芯片的输入引脚使能；

第三转换支路，具有第三转换芯片和第四三态门电路，所述第三转换芯片分别与所述第一差分对引线、所述第二差分对引线的负极引线以及所述第四三态门电路连接，所述第三转换芯片还用于连接所述第二数据收发设备；所述第三转换芯片将所述第一数据收发设备经所述第一差分对引线的负极引线输出的负极引线信号转换为第四逻辑电平信号，所述第四逻辑电平信号经所述第四三态门电路逻辑运算后输出；所述第三转换芯片将所述第二数据收发设备发出的所述第三逻辑电平信号转换为串口电平信号，并将所述串口电平信号发送至所述第二差分对引线的负极引线；

三输入与门电路，分别连接所述第一三态门电路、所述第二转换芯片和所述第四三态门电路，所述三输入与门电路还用于连接所述第二数据收发设备；所述三输入与门电路接收所述第一三态门电路、所述第二转换芯片和所述第四三态门电路的输出信号并进行与运算后向所述第二数据收发设备输出；

控制电路，分别连接所述第一三态门电路、所述第二三态门电路、所述第三三态门电路、所述第四三态门电路、所述第一转换芯片以及所述第三转换芯片；所述控制电路用于输出第一使能信号和第二使能信号，以使所述第一数据收发设备与所述第二数据收发设备之间的串口通信协议匹配；所述第一三态门电路、所述第二三态门电路、所述第三三态门电路、所述第一转换芯片和所述第三转换芯片被所述第一使能信号使能；所述第四三态门电路被所述第二使能信号使能，所述第一使能信号和所述第二使能信号为互斥的使能信号。

2.根据权利要求1所述的串口自适应切换电路，其特征在于，所述第一差分对引线与所述第一转换芯片的差分对引脚连接；

所述第一转换芯片的输出引脚与所述第一三态门电路输入接口连接；

所述第一三态门电路的输出引脚与所述三输入与门电路的第一输入接口连接；

其中，所述第一差分对引线分别具有第一上拉电阻和第一下拉电阻，所述第一三态门电路的输出引脚具有第二上拉电阻。

3.根据权利要求1所述的串口自适应切换电路，其特征在于，还包括第一三极管；

所述第二差分对引线与所述第二转换芯片的差分对引脚连接；

所述第二转换芯片的输入引脚与所述第一三极管的基极连接，所述第二转换芯片的输入引脚还用于连接所述第二数据收发设备的发送接口；所述第二转换芯片的输出引脚与所述三输入与门电路的第二输入接口连接，所述第二转换芯片的输出引脚具有第三上拉电阻；

所述第一三极管的集电极用于经所述第三上拉电阻与供电电压源连接，所述第一三极管的集电极还分别与所述第二三态门电路和所述第三三态门电路的输入接口连接，所述第一三极管的发射极接地；

所述第二三态门电路的输出引脚与所述第二转换芯片的输出使能引脚连接，所述第三三态门电路的输出引脚与所述第二转换芯片的接收使能引脚连接；

其中，所述第二三态门电路的输出引脚具有第四上拉电阻，所述第三三态门电路的输出引脚具有第二下拉电阻；所述第二差分对引线分别具有第五上拉电阻和第六下拉电阻。

4.根据权利要求1所述的串口自适应切换电路，其特征在于，所述第三转换芯片的接收引脚与所述第一差分对引线的负极引线连接，所述第三转换芯片的发送引脚与所述第二差分对引线的负极引线连接，所述第三转换芯片的输入引脚与所述第一三极管的集电极连接，所述第三转换芯片的输出引脚与所述第四三态门电路的输入引脚连接；

所述第四三态门电路的输出引脚与所述三输入与门电路的第三输入接口连接；

其中，所述第四三态门电路的输出引脚具有第六上拉电阻。

5.根据权利要求1所述的串口自适应切换电路，其特征在于，所述控制电路包括：

第一电阻，所述第一电阻的第一端接地；

第二电阻，所述第二电阻的第一端用于与所述供电电压源连接；

第三电阻，所述第三电阻的第一端具有拨码开关，所述拨码开关能与所述第一电阻的第二端或所述第二电阻的第二端连接；

第二三极管，所述第二三极管的基极与所述第三电阻的第二端连接，所述第二三极管的发射极接地；

第四电阻，所述第四电阻的第一端与所述第二三极管的集电极连接，所述第四电阻的第二端用于与所述供电电压源连接；

所述第三电阻的第一端输出所述第一使能信号，所述第四电阻的第一端输出所述第二使能信号。

6.根据权利要求1所述的串口自适应切换电路，其特征在于，还包括第一保护电路；所述第一保护电路包括：

第一瞬态二极管，所述第一瞬态二极管的第一端与所述差分对引线中的正极引线连接，所述第一瞬态二极管的第二端接地；

第二瞬态二极管，所述第二瞬态二极管的第一端与所述差分对引线中的负极引线连接，所述第二瞬态二极管的第二端接地；

双向齐纳二极管，所述双向齐纳二极管的第一端与所述差分对引线中的负极引线连接，所述双向齐纳二极管的第二端接地。

7.根据权利要求6所述的串口自适应切换电路，其特征在于，还包括第二保护电路和第三保护电路；

所述第二保护电路包括：

正极保护电阻，所述正极保护电阻串联在所述差分对引线的正极引线中，所述正极保护电阻的第一端通过引线与物理接口连接，所述正极保护电阻的第二端与所述第一瞬态二极管的第一端连接；

负极保护电阻，所述负极保护电阻串联在所述差分对引线的负极引线中，所述负极保护电阻的第一端通过引线与物理接口连接，所述负极保护电阻的第二端与所述第二瞬态二极管的第一端连接。

所述第三保护电路包括：

第一压敏电阻，所述第一压敏电阻的第一端与所述正极保护电阻的第一端连接；

第二压敏电阻，所述第二压敏电阻的第一端与所述负极保护电阻的第二端连接；

气体放电管，所述气体放电管的第一端与所述第一压敏电阻的第二端和所述第二压敏电阻的第二端连接，所述气体放电管的第二端接地。

8.根据权利要求1至7任一项所述的串口自适应切换电路，其特征在于，还包括连接接口，所述连接接口包括五个引脚，其中四个引脚分别与所述第一差分对引线和所述第二差分对引线一一对应地连接，另一个引脚与接地的引线连接。

9.根据权利要求8所述的串口自适应切换电路，其特征在于，与所述第一差分对引线连接的两个引脚相邻设置，与所述第二差分对引线连接的两个引脚相邻设置。

10.一种通讯设备，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的串口自适应切换电路。

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