CN116340238B - 一种mcu串口与rs485转换器的接口电路 - Google Patents

一种mcu串口与rs485转换器的接口电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种MCU串口与RS485转换器的接口电路，包括：第一光电耦合器，其二极管输入端与RS485转换器RO连接，其E极通过阻容电路与第一三极管B极连接，第一三极管C极与MCU串口RXD连接；第二光电耦合器，其二极管输入端与MCU串口TXD连接，其E极通过阻容电路与第二三极管B极连接；第二三极管C极与RS485转换器DI连接；第三三极管C极与RS485转换器端，且与RC充放电延时电路连接。本发明在MCU串口TXD自动控制RS485转换器端状态，节省一路隔离通道；在光电耦合器的输出端增加阻容电路，纠正光电耦合器的失真波形，降低通信误码率；在RS485转换器的DE端增加充放电延时电路，确保DE端口状态准确无误。

Description

一种MCU串口与RS485转换器的接口电路
技术领域
本发明涉及通讯电路设计技术领域，具体来说，涉及一种MCU串口与RS485转换器的接口电路。
背景技术
根据MCU与RS-485转换器之间实现异步串行通信基本原理，需要将MCU串行通信口的RXD与RS-485转换器接收器输出端(RO)电连接；MCU串行通信口的TXD与RS-485转换器驱动器输入端(DI)电连接；MCU的任意一输出IO管脚与RS-485转换器接收使能端(RE(--))电连接；MCU的任意一输出IO管脚与RS-485转换器发送使能端(DE)电连接。
目前智能电能表产品的MCU与RS-485转换器之间实现异步串行通信的典型电路为MCU串行通信口的RXD与RS-485转换器接收器输出端(RO)电连接；MCU串行通信口的TXD与RS-485转换器驱动器输入端(DI)电连接；MCU的任意一输出IO管脚同时与RS-485转换器接收使能端及RS-485转换器发送使能端(DE)电连接。即现有方案的通信电路中，MCU与RS-485转换器之间需通过3条通道进行连接通信。
为满足产品的MCU与RS-485转换器之间能承受大于4kV交流电压、6kV脉冲电压电气隔离的耐压性能要求，MCU与RS-485转换器之间的电连接均采用光电耦合器或容式数字隔离器连接，实现MCU串口与RS-485转换器之间的信号传递。
目前的技术方案虽然能够满足产品的功能和性能设计要求，但是存在以下缺陷：
缺陷一，浪费MCU的1只IO管脚和1只光电耦合器及相应辅助电路所用元器件与PCB的资源，增加产品材料成本。
缺陷二，在不计MCU的IO口资源的情况下，光电耦合器占用较大PCB版面，在有限设计空间内增加产品设计难度，增加产品制造工艺难度。
缺陷三，增加了产品嵌入式软件设计的繁琐性，影响程序运行效率，在软件设计过程中，需要额外考虑：MCU串行通信口准备接收信息时，通过IO口将RS-485转换器接收使能端拉为低电平；MCU串行通信口准备发送信息时，通过IO口将RS-485转换器发送使能端(DE)置为高电平。
缺陷四，现有技术方案典型电路所应用的普通光电耦合器输出端在高速通信状态下，其输出波形失真，存在高速通信误码率高的风险；具体表现在RS-485通信波特率达到9600bps时，普通光电耦合器输出端输出波形出现失真现象；当RS-485通信波特率继续提高至115200bps时，光电耦合器输出端输出波形失真十分严重，通信误码率极高，甚至无法正常通信。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种MCU串口与RS485转换器的接口电路，其特征在于：包括：
第一光电耦合器U2，所述第一光电耦合器U2的二极管作为输入端与RS485转换器的输出端RO连接，第一光电耦合器U2的E极与第一并联阻容电路相连，所述第一并联阻容电路由第二电阻R2、第二电容C2并联构成，所述第一阻容电路另一端与第一三极管Q1的基极连接，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的集电极与MCU串口的输入端口RXD连接，并通过上拉电阻R1与电源VDD相连。
第二光电耦合器U3，所述第二光电耦合器U3的E极接第二阻容电路，所述第二阻容电路由第八电阻、第三电容并联构成；所述第二光电耦合器U3的E极通过第九电阻接地，所述第二阻容电路的另一端接第二三极管Q2的基极，所述第二三极管Q2的集电极与RS485转换器U4驱动输入端DI以及电阻R7一端相连，并通过上拉电阻R6接电源VCC；第三三极管的Q3基极与电阻R7另一端相连，所述第三三极管Q3的发射极接电源VCC，所述第三三极管Q3的集电极与RS485转换器U4的接收使能端以及发送使能端DE相连，通过下拉电阻R10接地VSS，通过电阻R11与电容C5组成的串联阻容电路连接至地VSS；所述第二光电耦合器U3的二极管输入端通过第四电阻R4与MCU串口输出端口TXD连接。MCU串口与RS485转换器的接口电路中的光电耦合器U3的电阻R8与电容C3组成并联阻容电路，所述并联阻容电路能够将光电耦合器U3输出端输出的失真波形信号整理成理想的方波信号输出，更可靠地保证三极管Q2及时进入导通放大输出状态，其E极能够输出理想方波信号，从而提高通信的可靠性。
MCU微处理器U1向RS-485转换器U4连续发送数据“0”的工况下，由于MCU微处理器U1向RS-485转换器U4发送相邻前一位数据“0”后，在光电耦合器U3输出端截止与MCU微处理器U1向RS-485转换器U4发送当前位数据“0”时光电耦合器U3输出端导通之前的瞬间，并联阻容电路中的电容C3在所述发送前一位数据“0”时，其通过所述电阻R8放电后仍然剩余部分电荷，所述剩余部分电荷为所述发送当前位数据“0”时，光电耦合器U3输出端导通瞬间E极输出端输出不稳定波形提供能量整形输出理想方波信号，所述方波信号能够精准控制三极管Q2可靠导通，从而保证了产品在较高通信波特率工况下通信的可靠性。
同理，与第一光电耦合器U2的E极连接的第一并联阻容电路，所述第一并联阻容电路由第二电阻R2与第二电容C2并联组成，其工作原理类似第二并联阻容电路。。
即本实施例对光电耦合器输出端输出失真变形的波形信号进行纠正整形为理想的方波信号，波形整形技术的应用既降低了通信误码率，又大幅度提高了产品的通信波特率，优化设计方案，降低产品成本，满足了电能表RS-485通信波特率高达115200bps及以上的高速通信要求。
进一步的，MCU串口的输出端口通过光电耦合器输出后的波形纠正电路加一反相器及延时电路实现RS485转换器的接收与发送的使能控制，节约了一条MCU与RS485转换器之间的物理通道电子元件，实现了MCU串口对RS485转换器的自动接收与发送状态的自动控制功能，提高了程序运行效率。
进一步的，R11与C5组成的串联阻容充放电延时电路，MCU微处理器U1向RS-485转换器U4发送起始位数据“0”时，三极管Q3导通，其集电极C通过R11向电容C5充电，同步地，RS-485转换器U4的发送使能端DE瞬间被置为高电平，RS-485转换器U4进入发送输入状态，起始位数据“0”发送完成后，三极管Q3截止，电容C5通过电阻R11放电使得RS-485转换器U4的发送使能端DE持续为高电平，从而保证后续MCU微处理器U1向RS-485转换器U4发送下一位数据得以成功；接下来，MCU微处理器U1继续向RS-485转换器U4发送下一位数据，直至发送完毕。
本发明的MCU串口与RS485转换器的接口电路实现了MCU串口与RS485转换器之间通过普通光电耦合器隔离的双通道可靠高速通信技术目标，其通信波特率高达115200bps及以上。能适用于有极性RS485通信和无极性RS485通信。
本发明可以使用普通的光电隔离器(应用性价比较高)加辅助电路设计达到双通道高速通信的目的，而使用高速光耦就不要辅助电路了，可以节省成本，提高产品性价比和市场竞争力。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种MCU串口与RS485转换器的接口电路。
图1信号测量点说明：TESTA1—MCU微处理器U1串行通信口TXD输出口；TESTA2—光电耦合器U3输出端E极；TESTA3—三极管Q2与RS-485转换器U4的驱动器输入端DI电连接的C极信号放大输出点；TESTA4—三极管Q3与RS-485转换器U4的使能端电连接的C极放大输出点；TESTB1—RS-485转换器U4的接收器输出端RO；TESTB2—光电耦合器U2输出端E极输出点；TESTB3—三极管Q1与MCU微处理器U1串行通信口RXD电连接的C极放大输出的点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参考图1，本实施例公开了一种MCU串口与RS485转换器的接口电路，其包括：
第一光电耦合器U2，所述第一光电耦合器U2的二极管作为输入端与RS485转换器的输出端RO连接，第一光电耦合器U2的E极与第一并联阻容电路相连，所述第一并联阻容电路由第二电阻R2、第二电容C2并联构成，所述第一阻容电路另一端与第一三极管Q1的基极连接，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的集电极与MCU串口输入端口RXD相连，并且通过第一电阻R1上拉至电源VDD。
参考图1，其中第一光电耦合器U1具有二极管，二极管是第一光电耦合器U2的输入端，第一光电耦合器U2的输入端与RS485转换器的输出端RO连接。
第二光电耦合器U3，所述第二光电耦合器U3的E极与第二并联阻容电路，所述第二并联阻容电路由第八电阻、第三电容并联构成；所述第二光电耦合器U3的E极通过第九电阻接地，所述第二阻容电路的另一端接第二三极管Q2的基极，所述第二三极管Q2的集电极与RS485转换器U4的驱动输入端DI连接，并且通过第六电阻R6接电源VCC；第三三极管的Q3基极通过第七电阻与RS485转换器U4的驱动输入端DI相连，所述第三三极管Q3的发射极接电源VCC，所述第三三极管Q3的集电极与RS485转换器的接收--
使能端RE，发送使能端DE相连；所述第二光电耦合器U3的二极管输入端通过第四电阻R4与MCU串口TXD连接。
一方面，本实施例通过阻容电路将光电耦合器U3输出端输出的失真波形信号整理成理想的方波信号输出，更可靠地保证三极管Q2精准进入导通放大输出状态，其E极能够输出理想方波信号，从而提高通信的可靠性。
另一方面，MCU串口的输出端口通过光电耦合器输出后的波形纠正电路加一反相器及延时电路实现MCU串口对RS485转换器的接收与发送使能的自动控制，节约了一条MCU与RS485转换器之间的物理通道电子元件，实现了MCU串口与RS485转换器的自动接收与发送控制功能，提高了程序运行效率。
参考图1以及表4，所述表4为本发明MCU串口与RS485转换器的接口电路所设计的双通道普通光电耦合器实现高速RS485通信(波特率：115200bps)实际测试通过的元器件参数表，但不限于表4的参数。
参考图1以及表1-3，所述MCU微处理器U1在异步串行通信空闲等待状态时，其串行通信口的TXD常输出逻辑电平“1”，此电平“1”与光电耦合器U3输入端阳极电源VDD电位相等，光电耦合器U3处于关断状态，其E极通过电阻R9连接VSS，被强制拉为低电平“0”；三极管Q2处于截止状态，其C极通过电阻R6连接VCC，其输出为高电平“1”状态；此时，三极管Q3处于截止状态，其C极通过R10连接VSS，被强制拉低为低电平“0”状态，此逻辑“0”使RS-485转换器U4的接收使能端置为低电平“0”，RS-485转换器U4处于接收输出状态；当主机通过RS-485总线向RS-485转换器U4发送数据时，RS-485转换器U4接收输出端RO通过电阻R5控制光电耦合器U2输出端导通或截至，光电耦合器U2的E极通过电阻R2与C2并联的阻容电路控制三极管Q1导通或截至，实现RS-485转换器U4向MCU微处理器U1异步串行通信口的RXD发送数据“0”或“1”，U1串行通信口的RXD正常接收RS-485转换器U4接收输出端RO输出的数据。
RS-485转换器发送输入过程说明，图1所述MCU微处理器U1进入异步串行通信发送状态时，其串行通信口的TXD首先发送逻辑电平“0”作为发送数据的起始位，所述逻辑电平“0”通过电阻R4使光电耦合器U3输出端处于导通状态，光电耦合器U3的E极输出高电平“1”，E极通过R8与C3并联的阻容电路控制三极管Q2，E极输出的高电平“1”通过此电路使三极管Q2处于导通放大工作状态，三极管Q2的C极输出低电平“0”，此低电平通过电阻R7控制三极管Q3瞬间进入导通放大工作状态，三极管Q3的C极输出高电平“1”，此逻辑“1”使RS-485转换器U4的发送使能端(DE)瞬间置高，RS-485转换器U4进入发送输入状态；同步地，MCU微处理器U1串行通信口的TXD首先发送逻辑电平“0”作为发送的起始位成功地发送至RS-485转换器U4的发送输入端；所述电阻R11与电容C5组成的RC串联充放电延时电路，其阻值和容值根据RS-485通信波特率的具体速度要求计算出需充放电时间常数进行相应的搭配，所述RC串联充放电延时电路能够保证RS-485转换器的发送使能端(DE)在MCU微处理器U1向RS-485转换器U4发送数据“1”时，RS-485转换器U4的发送使能端(DE)持续维持高电平状态，即在RC串联充放电延时电路的支持下，无论MCU微处理器U1串行通信口的TXD向RS-485转换器U4的发送输入端(DI)输入数字“0”或“1”，RS-485转换器U4的发送使能端(DE)均能持续维持高电平状态，保证U4发送使能端(DE)的状态准确无误，进一步地，MCU微处理器U1串行通信口的TXD通过光电耦合器U3及相应辅助电路将数据“0”或“1”准确无误发送至RS-485转换器U4的驱动输入端DI。
表1：RS-485转换器接收发送使能真值表
表2：RS-485转换器接收输出真值表
信号测量点 TESTB1 TESTB2 TESTB3 MCU接收值
RS-485转换器RO输出 1 0 1 1
RS-485转换器RO输出 0 1 0 0
表3：RS-485转换器发送输入真值表
信号测量点 TESTA1 TESTA2 TESTA3 RS-485转换器发送输入值
MCU串口TXD输出 1 0 1 1
MCU串口TXD输出 0 1 0 0
表4：高速RS485通信(波特率：115200bps)实际测试通过元器件参数表
序号 元器件名称 元器件规格参数 元器件位置代号 数量
1 电阻 10kΩ±5％ R1、R2、R6、R7、R8、R10 6
2 电阻 1.5kΩ±5％ R4、R5 2
3 电阻 510Ω±5％ R3、R9 2
4 电阻 100Ω±5％ R11 1
5 电容 0.1μF±10％/50V C1、C6 2
6 电容 1μF±10％/50V C5 1
7 电容 200pF±10％/50V C2、C3 2
8 三极管 S8050 Q1、Q2 2
9 三极管 S8550 Q3 1
10 光电耦合器 EL816，D档 U2、U3 2
11 RS485转换器 BL3085N U4 1
12 MCU 通用型号 U1 1
微处理器U1异步串行通信口TXD在空闲等待状态时发送“1”且维持常态的技术原理特征，本实施例的MCU串口与RS485转换器的接口电路可以在所述状态下将RS-485转换器U4的接收使能端拉为低电平“0”，确保RS-485转换器U4进入接收输出状态。
微处理器U1异步串行通信口TXD在发送数据时先发送起始位“0”的技术原理特征；本实施例的MCU串口与RS485转换器的接口电路可以实现MCU微处理器U1串口TXD准备向RS-485转换器U4的发送输入端口DI发送数据之前，先将RS-485转换器U4的发送使能端DE置为高电平“1”，确保RS-485转换器U4进入发送输入状态。
本实施例的MCU串口与RS485转换器的接口电路中的光电耦合器U3的电阻R8与电容C3组成并联阻容电路，所述并联阻容电路能够将光电耦合器U3输出端输出的失真波形信号整理成理想的方波信号输出，更可靠地保证三极管Q2及时进入导通放大输出状态，其E极能够输出理想方波信号，从而提高通信的可靠性。
MCU微处理器U1向RS-485转换器U4连续发送数据“0”的工况下，由于MCU微处理器U1向RS-485转换器U4发送相邻前一位数据“0”后，在光电耦合器U3输出端截止与MCU微处理器U1向RS-485转换器U4发送当前位数据“0”时光电耦合器U3输出端导通之前的瞬间，并联阻容电路中的电容C3在所述发送前一位数据“0”时，其通过所述电阻R8放电后仍然剩余部分电荷，所述剩余部分电荷为所述发送当前位数据“0”时，光电耦合器U3输出端导通瞬间E极输出端输出不稳定波形提供能量整形输出理想方波信号，所述方波信号能够精准控制三极管Q2可靠导通，从而保证了产品在较高通信波特率工况下通信的可靠性。
同理，与第一光电耦合器U2的E极连接的第一并联阻容电路，所述第一并联阻容电路由第二电阻R2与第二电容C2并联组成，其工作原理类似第二并联阻容电路。
即本实施例对光电耦合器输出端输出失真变形的波形信号进行纠正整形为理想的方波信号，波形整形技术的应用既降低了通信误码率，又大幅度提高了产品的通信波特率，优化设计方案，降低产品成本，满足了电能表RS-485通信波特率达到115200bps的通信要求。
进一步的，R11与C5组成的串联阻容充放电延时电路，MCU微处理器U1向RS-485转换器U4发送起始位数据“0”时，三极管Q3导通，其C极通过R11向电容C5充电，同步地，RS-485转换器U4的发送使能端DE瞬间被置为高电平，RS-485转换器U4进入发送输入状态，起始位数据“0”发送完成后，三极管Q3截止，电容C5通过电阻R11放电使得RS-485转换器U4的发送使能端DE持续为高电平，从而保证后续MCU微处理器U1向RS-485转换器U4发送下一位数据得以成功；接下来，MCU微处理器U1继续向RS-485转换器U4发送下一位数据，直至发送完毕。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种MCU串口与RS485转换器的接口电路，其特征在于：包括：
第一光电耦合器U2，所述第一光电耦合器U2的二极管作为输入端与RS485转换器的输出端RO连接，第一光电耦合器U2的E极与第一并联阻容电路相连，所述第一并联阻容电路由第二电阻R2、第二电容C2并联构成，所述第一并联阻容电路另一端与第一三极管Q1的基极连接，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的集电极与MCU串口的输入端口RXD相连，并通过上拉电阻R1接电源VDD；
第二光电耦合器U3，所述第二光电耦合器U3的E极接第二并联阻容电路，所述第二并联阻容电路由第八电阻、第三电容并联构成；所述第二光电耦合器U3的E极通过第九电阻R9接地，所述第二并联阻容电路的另一端接第二三极管Q2的基极，所述第二三极管Q2的集电极与RS485转换器U4驱动输入端DI以及电阻R7一端相连，并通过上拉电阻R6接电源VCC；第三三极管的Q3基极与电阻R7另一端相连，所述第三三极管Q3的发射极接电源VCC，所述第三三极--
管Q3的集电极与RS485转换器U4的接收使能端RE以及发送使能端DE相连，通过下拉电阻R10接地VSS，通过电阻R11与电容C5组成的串联阻容电路连接至地VSS；所述第二光电耦合器U3的二极管输入端通过第四电阻R4与MCU串口输出端口TXD连接；第三三极管的Q3基极通过电阻R7与RS485转换器U4驱动输入端DI端口相连，所述第三三极管Q3的发射极接电源VCC，所述第三三极管Q3--的集电极与RS485转换器U4的接收使能端RE以及发送使能端DE相连，通过下拉电阻R10接地VSS，通过电阻R11与电容C5组成的串联阻容延时电路连接至地VSS；RS485的DI端口通过电阻R6接电源VCC，所述第三三极管Q3及电阻R11与C5组成的延时电路实现了MCU串口TXD对RS485转换器接收与发送的使能自动控制。
2.根据权利要求1所述的一种MCU串口与RS485转换器的接口电路，其特征在于：所述第一光电耦合器U2二极管输入端通过第五电阻R5与RS485转换器的输出端RO连接，E极通过并联阻容电路电阻R2及电容C2与第一三极管Q1集电极相连，并通过下拉电阻R3与地GND相连。
3.根据权利要求1所述的一种MCU串口与RS485转换器的接口电路，其特征在于：所述第二光电耦合器U3二极管输入端通过第四电阻R4与MCU串口TXD端口连接，E极通过并联阻容电路电阻R8及电容C3与第二三极管Q2集电极相连，并通过下拉电阻R9与地VSS相连。
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