CN116260447A - 一种ttl电平串口远距离传输电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TTL电平串口远距离传输电路及其实现方法，涉及远距离通讯传输技术领域。本发明包括发送端电路，以及接收端电路，所述发送端电路与接收端电路直接通过传输总线连接；所述发送端电路包括TTL电平发送端，所述TTL电平发送端与第一电压比较模块连接，所述第一电压比较模块与第一电压转换模块连接，所述第一电压转换模块与传输总线连接；所述接收端电路包括高电平接收端，所述高电平接收端与传输总线连接，且所述高电平接收端与第二电压比较模块连接，所述第二电压比较模块与第二电压转换模块连接。本发明成本低，原理简单，工程施工难度小，速度快等优点。

Description

一种TTL电平串口远距离传输电路及其实现方法

技术领域

本发明属于远距离通讯传输技术领域，特别是涉及一种TTL电平串口远距离传输电路及其实现方法。

背景技术

目前无论是在工业还是军事通讯领域中，都存在远距离传输数据的业务需求。虽然数据量不大，也可以使用无线传输的方式实现。但是由于一般系统的核心板上的CPU都是基于TTL电平的通用异步串行接口（USART），其电压等级大多数是3.3V、5V、1.8V等低电压。在长距离，超过1公里距离，线路上的损耗会非常大，电压将降低到高电平阈值以下。接收方根本不能接收到可靠的数据。

工业中，现有通讯的方案分为有线和无线两种。无线通讯方案一般适用于近距离通讯，距离一般不超过100米，而适合远距离传输的无线技术方案，普遍都存在架设成本高、技术难度大、容易泄密被监听等问题。而现有成熟的远距离数据通讯/传输技术，例如RS485、工业以太网、CAN总线、光缆等。RS485和CAN总线采用差分通讯技术，抗干扰能力强，架设技术难度低，但是对传输线材有着特殊要求，必须采用屏蔽双绞线作为传输介质，当通讯距离大于一公里以后，通讯速率不能太高，一般波特率只能做到2400BPS。工业以太网方案相对来说通讯速度可以满足绝大多数对通讯速度的应用需求，但需要在通讯线路中增加中继，成本大大增加,并且存在技术复杂度高，编程难度大的问题。而光缆通讯需要用的是光纤通讯而不是普通的电缆，材料成本也很高，光纤本身质地机械强度差，对布线有一定要求，折弯半径不能小于20厘米，总线供电比较难实现。

现有的通讯技术中，由于长线通讯，线路阻抗的增加，导致线路末端的电压严重下降，为了提高可靠性，需要改成485或者CAN等适合长距离通讯方式，增加了硬件设计复杂度，同时为了降低误码率，在现有的硬件条件下，只能设计复杂的通讯协议，增加应答模式，减少一次性传输数据的内容，改为其它无线通讯方式或者隔离通讯方式，又造成了施工难度，施工成本的增加，为此我们提出一种TTL电平串口远距离传输电路及其实现方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TTL电平串口远距离传输电路及其实现方法，解决现有的TTL电平串口远距离传输中由于长线传输，线路阻抗的增加，导致线路末端的电压下降严重，并且在复杂工况、强干扰电磁环境下会造成通讯误码率的提高的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种TTL电平串口远距离传输电路，包括发送端电路，以及接收端电路，所述发送端电路与接收端电路直接通过传输总线连接，所述传输总线包括一个网络中心节点以及若干个无线终端，所述网络中心节点与发送端电路连接，所述网络中心节点与若干个无线终端连接，每个所述无线终端分别对应一个接收端电路；

所述发送端电路包括TTL电平发送端，所述TTL电平发送端与第一电压比较模块连接，所述第一电压比较模块与第一电压转换模块连接，所述第一电压转换模块与传输总线连接；

所述接收端电路包括高电平接收端，所述高电平接收端与传输总线连接，且所述高电平接收端与第二电压比较模块连接，所述第二电压比较模块与第二电压转换模块连接。

优选的，所述发送端电路通过uart芯片发送TTL电平信号，所述第一电压比较模块为电压比较器，所述第一电压转换模块为高速三极管，所述uart芯片的发送端TX后面与电压比较器的反向输入端IN-连接，电压比较器的正向输入端IN+接入固定比较电平，电压比较器与高速三极管连接。

优选的，所述第二电压比较模块同样为电压比较器以及固定比较电平，所述第二电压转换模块为光电耦合器，所述高电平RX引脚与第二电压比较器的反向输入端IN-连接，电压比较器的正向输入端IN+接入固定比较电平，同时电压比较器与光电耦合器连接。

优选的，所述固定比较电平是外置电位器调整的电平，或者是一个电压基准固定的一个电平。

优选的，所述光电耦合器连接有隔离电源。

一种TTL电平串口远距离传输电路的实现方法，包括以下步骤：

S1、uart芯片发送TTL电平连接至第一电压比较模块，第一电压比较模块将5V的TTL电平和参考电压进行比较，输出一个与TTL发送端信号逻辑相反的信号电平；

S2、逻辑相反的信号电平进入第一电压转换模块，转化为与总线电压幅值相同的高电平信号，并且再次做逻辑翻转，送入总线形成与发送端逻辑同向，但电压等级与总线电压高度相同的信号，该信号远距离传输至接收端电路；

S3、高电平接收端接收总线远距离传输至此的高压信号，并连接至第二电压比较模块，第二电压比较模块中对高压信号与参考电压作比较，输出一个与高压信号逻辑相反的信号电平；

S4、将上述逻辑相反的信号电平连接至第二电压转换模块，转化为同向的TTL逻辑电平信号。

优选的，所述步骤S1中第一电压比较模块具体工作步骤如下所示：

S1.1、将发送端5V的TTL电平输出至第一电压比较模块，第一电压比较模块将5V的TTL电平通过与固定比较电平进行比较；

S1.2、若TTL电平高于固定比较电平，则第一电压比较模块输出一个逻辑低的低电平；若TTL电平低于固定比较电平，则第一电压比较模块输出一个逻辑高的高电平。

优选的，所述步骤S2中第一电压转换模块的具体工作流程包括以下步骤：第一比较模块将低电平输出至第一电压转换模块，第一电压转换模块将低电平转换成与总线电压相等的高电压；第一比较模块将高电平输出值第一电压转换模块，第一电压转换模块将高电平转换成0伏的低电平，在此第一比较模块处，逻辑关系恢复成与TTL信号逻辑关系相同，提高至远距离供电的总线电压。

优选的，所述步骤S3中，高电平接收端在接收总线传输的电平时，由于线路损耗，信号电平电压降低3V-5V的幅度，所述总线上的信号电平比TTL电平高，裕量大，所述高电平接收端仍正确识别逻辑“1”和逻辑“0”。

优选的，所述高电平接收端接收总线电压后接入第二电压比较模块，正确识别处逻辑高和逻辑低电平后，送入下一级的第二电压转换模块，再次恢复成兼容TTL电平的电压幅值。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置发送端电路以及接收端电路，发送端电路将需要发送的TTL电平信号与预设的参考电压进行比较，并根据比较的结果输出与TTL电平信号相反的信号电平，并将该信号电平通过电压转换模块进行转换，得到与传输总线电压幅值相同的高电平信号，因此该高电平信号在保证经过长距离传输后，但是由于总线上的信号电平本身高于TTL电平很多，裕量足够大，所以仍然可以被接收端的电路正确识别出逻辑“1”和逻辑“0”，识别后的高电平信号被接收端电路接收后输入项羽发送端电路相同的电压比较器中与参考电压作比较，同样是变成逻辑相反的信号输入电压转换模块，把高压总线信号转换回同向的TTL逻辑电平信号，此电路与传统长距离通讯方案相比，本发明具有成本低，原理简单，工程施工难度小，速度快等优点。并且由于节省了中间的接口转换功能模块的电路，例如转为485、CAN等接口，在程序设计上不需要额外的软件开销，间接地也减少了软件设计的复杂度，降低了通讯故障的可能性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明提供的TL电平串口远距离传输电路的实现方法的发送端电路流程图；

图2为本发明提供的TL电平串口远距离传输电路的实现方法的接收端电路流程图；

图3为本发明实施例一中的发送端电路图；

图4为本发明实施例一中的接收端电路图；

图5为本发明提供的TTL电平串口远距离传输电路的输出总线系统框图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1-5，本发明为一种TTL电平串口远距离传输电路，包括发送端电路，以及接收端电路，发送端电路与接收端电路直接通过传输总线连接，传输总线包括一个网络中心节点以及若干个无线终端，网络中心节点与发送端电路连接，网络中心节点与若干个无线终端连接，每个无线终端分别对应一个接收端电路；

在本发明中，网络中心节点与无线终端均采用ESP8266-12F搭建，若干无线终端均可同时连接网络中心节点的AP，当与无线终端相连接的接收端电路需要将TTL电平信号传输到网络中心节点时，只需要将数据直接以TTL的方式透传给与其配备的无线终端传输器，该传输器将TTL信号转换为无线WIFI数据发送到与其连接的网络中心节点传输器，网络中心节点传输器再将WIFI信号转换为TTL信号直接透传给发送端电路。

相同的是，若发送端电路需要将TTL电平信号下发至与其相连接的接收端电路时，发送端电路将TTL电平信号透传给与其相连接的网络中心节点传输器，该传输器将TTL电平信号转换为无线WIFI信号，以广播的方式发送到空间中，与该网络中心节点的相连接的无线终端都会同时接收到该WIFI数据，各无线终端将WIFI数据转换为TTL电平信号透传给各接收电路，各接收端电路自行判断数据是否为有效数据。

本设计的SoftAP部分的程序设计中，需在初始化函数中添加UART串口初始化、SoftAP初始化、UDP初始化等一系列系统初始化函数来初始化模块。同时启用UART接收回调函数，当UART收到非命令协议的数据时，经进入UART接收回调函数中调用UDP发送，将数据通过UDP透传出去；当UART接收到本设计定义的命令协议时，按照不同的命令执行相应操作，不将命令透传（命令功能包括：修改AP的SSID以及密码、修改Station链接目标的SSID以及密码、查询链接状态、修改UART波特率等）；同样，在UDP配置时需启用UDP接收回调函数，当收到UDP消息时进入UDP接收回调函数中调用UART发送，将数据通过UART透传到TTL接口。

发送端电路包括TTL电平发送端，TTL电平发送端与第一电压比较模块连接，第一电压比较模块与第一电压转换模块连接，第一电压转换模块与传输总线连接；

接收端电路包括高电平接收端，高电平接收端与传输总线连接，且高电平接收端与第二电压比较模块连接，第二电压比较模块与第二电压转换模块连接。

其中，发送端电路通过uart芯片发送TTL电平信号，第一电压比较模块为电压比较器，第一电压转换模块为高速三极管，uart芯片的发送端TX后面与电压比较器的反向输入端IN-连接，电压比较器的正向输入端IN+接入固定比较电平，电压比较器与高速三极管连接，三极管起到隔离高压和低压、将uart的逻辑电平提高以提高抗干扰性的作用。

其中，第二电压比较模块同样为电压比较器以及固定比较电平，第二电压转换模块为光电耦合器，光电耦合器与发送端电路中的高速三极管的作用相同，均为起到高低压隔离的作用，高电平RX引脚与第二电压比较器的反向输入端IN-连接，电压比较器的正向输入端IN+接入固定比较电平，同时电压比较器与光电耦合器连接。

其中，固定比较电平是外置电位器调整的电平，或者是一个电压基准固定的一个电平。

其中，光电耦合器连接有隔离电源，隔离电源为单独提供，成本比高速三极管的成本高，但是能够完全将高低压从物理上进行隔离。

一种TTL电平串口远距离传输电路的实现方法，包括以下步骤：

S1、uart芯片发送TTL电平连接至第一电压比较模块，第一电压比较模块将5V的TTL电平和参考电压进行比较，输出一个与TTL发送端信号逻辑相反的信号电平；

S2、逻辑相反的信号电平进入第一电压转换模块，转化为与总线电压幅值相同的高电平信号，并且再次做逻辑翻转，送入总线形成与发送端逻辑同向，但电压等级与总线电压高度相同的信号，该信号远距离传输至接收端电路；

S3、高电平接收端接收总线远距离传输至此的高压信号，并连接至第二电压比较模块，第二电压比较模块中对高压信号与参考电压作比较，输出一个与高压信号逻辑相反的信号电平；

S4、将上述逻辑相反的信号电平连接至第二电压转换模块，转化为同向的TTL逻辑电平信号。

其中，步骤S1中第一电压比较模块具体工作步骤如下所示：

S1.1、将发送端5V的TTL电平输出至第一电压比较模块，第一电压比较模块将5V的TTL电平通过与固定比较电平进行比较；

S1.2、若TTL电平高于固定比较电平，则第一电压比较模块输出一个逻辑低的低电平；若TTL电平低于固定比较电平，则第一电压比较模块输出一个逻辑高的高电平。

其中，步骤S2中第一电压转换模块的具体工作流程包括以下步骤：第一比较模块将低电平输出至第一电压转换模块，第一电压转换模块将低电平转换成与总线电压相等的高电压；第一比较模块将高电平输出值第一电压转换模块，第一电压转换模块将高电平转换成0伏的低电平，在此第一比较模块处，逻辑关系恢复成与TTL信号逻辑关系相同，提高至远距离供电的总线电压。

其中，步骤S3中，高电平接收端在接收总线传输的电平时，由于线路损耗，信号电平电压降低3V-5V的幅度，总线上的信号电平比TTL电平高，裕量大，高电平接收端仍正确识别逻辑“1”和逻辑“0”。

其中，高电平接收端接收总线电压后接入第二电压比较模块，正确识别处逻辑高和逻辑低电平后，送入下一级的第二电压转换模块，再次恢复成兼容TTL电平的电压幅值。

实施例一

在本实施例中，如图3所示，U2.1是电压比较器LM393，负责把3.3V逻辑电平的单片机（MCU）发送的数据（TX信号），和预设好的电平进行比较，由于一般TTL逻辑电平，高电平的低阈值是VDD的70%，低电平的高阈值是20%VDD，这个预设好的电平需要设置为比单片机供电系统高电平的逻辑低稍高一些。当单片机的TX输出高电平时候，由于其电压值高于比较器的同向输入端的固定电平，所以比较器的输出，是逻辑低。从而使后端的高电压转换电路关闭，则最终三极管Q1输出为高，与单片机的TX逻辑值一致。

反之当TX是逻辑低电平时候，电压值低于同相输入端的固定电平，导致比较器输出是高，后端的高压转换电路打开，三极管Q1导通，输出是低电平，与TX一致。

但是电压幅度，满轨是12V，因此在长线传输时候，由于电压幅值足够高，即使线路损耗拉低了接收端的电压，但是裕量足够大，也能够用同样原理的接收电路，准确的还原出每一个bit的数据。

如图4，接收端与发送端相同原理，高电压接收端从总线接收到高电平后输出至接收端电路的电压比较器，电压比较器接入12V的高电平，将远距离发送端的信号与接入同相输入端的固定电平进行比较，当远距离信号为低电平时，电压比较器输出高电平，若远距离信号为高电平时，电压比较器输出低电平，在电压比较器后端的光电耦合器接系统供电的3.3V，光电耦合器的输出逻辑与远距离发送端保持一致，然后接到单片机（MCU）的RX引脚，完成了高电平至低电平的转换。

实施例二

在本实施例中，在电压比较器的同相输入端，目前固定电平使用电阻分压或者电位器的方法得到，但是其有可能随着系统供电的波动，或者电源线上的意外强电磁干扰，例如耦合感应雷击等原因，造成供电电压的不稳定，也会影响到固定电平的稳定。

因此在本实施例中我们将电位器更换为具有稳压作用的电压基准，本实施例中的电压基准至少提供30毫安的工作电流，并且为宽压工作范围，而且对于电源电压的波动的相应比较敏感，因此可以解决电源波动对电平转换造成的影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种TTL电平串口远距离传输电路，其特征在于：包括发送端电路，以及接收端电路，所述发送端电路与接收端电路直接通过传输总线连接，所述传输总线包括一个网络中心节点以及若干个无线终端，所述网络中心节点与发送端电路连接，所述网络中心节点与若干个无线终端连接，每个所述无线终端分别对应一个接收端电路；

所述发送端电路包括TTL电平发送端，所述TTL电平发送端与第一电压比较模块连接，所述第一电压比较模块与第一电压转换模块连接，所述第一电压转换模块与传输总线连接；

所述接收端电路包括高电平接收端，所述高电平接收端与传输总线连接，且所述高电平接收端与第二电压比较模块连接，所述第二电压比较模块与第二电压转换模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种TTL电平串口远距离传输电路，其特征在于，所述发送端电路通过uart芯片发送TTL电平信号，所述第一电压比较模块为电压比较器，所述第一电压转换模块为高速三极管，所述uart芯片的发送端TX后面与电压比较器的反向输入端IN-连接，电压比较器的正向输入端IN+接入固定比较电平，电压比较器与高速三极管连接。

3.根据权利要求2所述的一种TTL电平串口远距离传输电路，其特征在于，所述第二电压比较模块同样为电压比较器以及固定比较电平，所述第二电压转换模块为光电耦合器，所述高电平RX引脚与第二电压比较器的反向输入端IN-连接，电压比较器的正向输入端IN+接入固定比较电平，同时电压比较器与光电耦合器连接。

4.根据权利要求3所述的一种TTL电平串口远距离传输电路，其特征在于，所述固定比较电平是外置电位器调整的电平，或者是一个电压基准固定的一个电平。

5.根据权利要求4所述的一种TTL电平串口远距离传输电路，其特征在于，所述光电耦合器连接有隔离电源。

6.一种TTL电平串口远距离传输电路的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、uart芯片发送TTL电平连接至第一电压比较模块，第一电压比较模块将5V的TTL电平和参考电压进行比较，输出一个与TTL发送端信号逻辑相反的信号电平；

S2、逻辑相反的信号电平进入第一电压转换模块，转化为与总线电压幅值相同的高电平信号，并且再次做逻辑翻转，送入总线形成与发送端逻辑同向，但电压等级与总线电压高度相同的信号，该信号远距离传输至接收端电路；

S3、高电平接收端接收总线远距离传输至此的高压信号，并连接至第二电压比较模块，第二电压比较模块中对高压信号与参考电压作比较，输出一个与高压信号逻辑相反的信号电平；

S4、将上述逻辑相反的信号电平连接至第二电压转换模块，转化为同向的TTL逻辑电平信号。

7.根据权利要求6所述的一种TTL电平串口远距离传输电路的实现方法，其特征在于，所述步骤S1中第一电压比较模块具体工作步骤如下所示：

S1.1、将发送端5V的TTL电平输出至第一电压比较模块，第一电压比较模块将5V的TTL电平通过与固定比较电平进行比较；

S1.2、若TTL电平高于固定比较电平，则第一电压比较模块输出一个逻辑低的低电平；若TTL电平低于固定比较电平，则第一电压比较模块输出一个逻辑高的高电平。

8.根据权利要求7所述的一种TTL电平串口远距离传输电路的实现方法，其特征在于，所述步骤S2中第一电压转换模块的具体工作流程包括以下步骤：第一比较模块将低电平输出至第一电压转换模块，第一电压转换模块将低电平转换成与总线电压相等的高电压；第一比较模块将高电平输出值第一电压转换模块，第一电压转换模块将高电平转换成0伏的低电平，在此第一比较模块处，逻辑关系恢复成与TTL信号逻辑关系相同，提高至远距离供电的总线电压。

9.根据权利要求8所述的一种TTL电平串口远距离传输电路的实现方法，其特征在于，所述步骤S3中，高电平接收端在接收总线传输的电平时，由于线路损耗，信号电平电压降低3V-5V的幅度，所述总线上的信号电平比TTL电平高，裕量大，所述高电平接收端仍正确识别逻辑“1”和逻辑“0”。

10.根据权利要求9所述的一种TTL电平串口远距离传输电路的实现方法，其特征在于，所述高电平接收端接收总线电压后接入第二电压比较模块，正确识别处逻辑高和逻辑低电平后，送入下一级的第二电压转换模块，再次恢复成兼容TTL电平的电压幅值。

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