CN1649349A - 一种rs485通信接口转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种RS485通信接口转换装置，尤其涉及一种通用异步收发器(UART)或者RS232通信接口电路转RS485的转换装置，包括通信接口电路和RS485收发器电路，两者相互耦合，还包括与所述通信接口电路及RS485收发器电路相耦合的智能控制电路；所述智能控制电路根据通信接口电路的发送数据信号控制RS485收发器电路的收发状态切换。本发明通过在原有技术的基础上增加一个简单的智能逻辑控制电路，可以实现RS485收发器电路收发状态的自动切换。
Description
[技术领域]
本发明涉及一种RS485通信接口转换装置，尤其涉及一种通用异步收发器(UART)或者RS232通信接口电路转RS485的转换装置。
[背景技术]
在通信电路设计中，经常需要设计UART转RS485电路或者RS232转RS485电路。典型的UART转RS485、RS232转RS485电路原理框图分别如图1、图2所示。
由于RS485总线是半双工总线，不能同时进行接收和发数据。为了防止总线冲突和数据丢失，在发送数据时，应将RS485收发器切换到发送状态；在发送数据完毕之后，应及时将收发器切换到接收状态。
在典型的UART转RS485通信中(见图1)，通过软件控制RS485收发器进行接收/发送状态切换：当发送数据时，将UART控制器的GPIO脚置为高电平，RS485收发器进入发送状态，数据首先被发送到UART控制器的寄存器中，UART控制器再将数据送到RS485收发器；当数据发送完毕后，需要进行延时或者不停查询UART控制器的状态以确保UART控制器已经将所有数据已经全部发送出去，然后将GPIO脚置为低电平，RS485收发器进入接收状态。这种方法存在两个问题：①应用程序相对复杂，需要进行RS485收发状态切换，效率低；②不同通信速率时，UART控制器将寄存器中的数据发送到RS485总线所需的时间不同，应用程序不能及时知道UART控制器何时已完成数据发送，因此无法根据通信速率合理延时，不能及时的进行RS485总线收发状态切换，这将导致通信效率降低甚至数据丢失。
在图2所示的RS232转RS485电路中，单片机根据发送线(UART_TXD)上信号的变化确定RS485收发器的状态切换。这样做的问题是成本高且需要对单片机编程。虽然也有人用简单的逻辑电路来实现RS485收发状态的切换，但通信不可靠，在数据通信率较高时数据会丢失。
[发明内容]
本发明所要解决的技术问题是：提供一种RS485通信接口转换装置，可以实现RS485收发器电路收发状态的自动切换。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种RS485通信接口转换装置，包括通信接口电路和RS485收发器电路，两者相互耦合，还包括与所述通信接口电路及RS485收发器电路相耦合的智能控制电路；所述智能控制电路根据通信接口电路的发送数据信号控制RS485收发器电路的收发状态切换。
所述通信接口电路是通用异步收发器接口电路，其发送数据端和接收数据端分别与所述RS485收发器电路的接收数据端和发送数据端耦合，其发送数据端和时钟输出端分别与智能控制电路的信号接收端和时钟信号输入端相连。
所述通信接口电路包括一个RS232收发器电路，所述RS232收发器电路的第一接收数据端、第二数据发送端分别与RS232总线接口电连接，其发送数据端、接收数据端分别与所述RS485收发器电路的接收数据端和发送数据端耦合，其发送数据端还与智能控制电路的信号接收端相连。
所述智能控制电路包括一单稳态触发器，所述单稳态触发器的下降沿触发输入端作为智能控制电路的信号接收端与所述通信接口电路的发送数据端相连，其正向输出端作为智能控制电路的状态切换控制端与所述收发器电路的收发片选端耦合。
所述智能控制电路还包括第一与非门、第二与非门、第一计数器和第二计数器；
所述单稳态触发器的下降沿触发输入端作为智能控制电路的信号接收端与所述通信接口电路的发送数据端相连，其复位端与所述第二与非门的输出端相连，其正向输出端作为智能控制电路的状态切换控制端，与第一与非门的第二输入端相连；
所述第一与非门的第一输入端与所述通信接口电路的发送数据端相连，其输出端与所述第一计数器的复位端和第二计数器的复位端相连；
所述第一计数器的第一输入端作为智能控制电路的时钟信号输入端与所述通信接口电路的时钟输出端相连，其第四输出端与所述第二计数器的输入端相连；
所述第二计数器的第三和第四输出端分别与所述第二与非门的第一和第二输入端相连。
智能控制电路还包括时钟信号发生电路，所述时钟信号发生电路包括晶体振荡器、第三计数器和拨码开关；所述晶体振荡器的时钟输出端与所述第三计数器的输入端、拨码开关的第五输入端相连；所述第三计数器的复位端接地，其第一、第二、第三和第四输出端分别和所述拨码开关的第四、第三、第二和第一输入端相连；所述拨码开关的第十三、第十四、第十五和第十六输出端与时钟信号输入端相连。
上述的任何一种RS485通信接口转换装置还包括光藕隔离电路，其第一通道的输入端和第二通道的输出端分别与所述通信接口电路的发送数据端和接收数据端相连，其第一通道输出端和第二通道输入端与所述收发器电路的接收数据端和发送数据端相连；所述智能控制电路的状态切换控制端与光藕隔离电路的第三通道输入端相连，所述收发器电路的收发片选端与光藕隔离电路的第三通道输出端相连。
本发明通过在原有技术的基础上增加一个简单的智能逻辑控制电路，可以实现RS485收发器电路收发状态的自动切换：1、在UART转RS485通信中，应用程序不需要进行收发状态切换，智能控制电路可以自动进行RS485收发器电路的收发状态切换，应用程序不需要关心UART的发送情况；2、在RS232转RS485电路中，不需要采用单片机，降低了整个电路的成本，同时提高了数据通信的可靠性。
[附图说明]
图1是现有技术中UART转RS485电路结构原理图。
图2是现有技术中RS232转RS485电路结构原理图。
图3是本发明一种RS485通信接口转换装置的电路结构原理图。
图4是本发明第一个实施例的电路结构原理图。
图5是本发明光藕隔离电路原理图。
图6是本发明RS485收发器电路原理图。
图7是本发明智能控制电路原理图。
图8是本发明第二个实施例的电路结构原理图。
图9是本发明第二种智能控制电路的原理图。
图10是本发明第二种智能控制电路工作原理波形图。
图11是本发明第三个实施例的电路结构原理图。
图12是本发明RS232收发器电路原理图。
图13是本发明时钟信号发生电路原理图。
[具体实施方式]
下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步地阐述。
如图3所示，本发明装置包括通信接口电路1、RS485收发器电路2和智能控制电路3。所述通信接口电路1的发送数据端UART_TXD和接收数据端UART_RXD和RS485收发器电路2的接收数据端DI和发送数据端RO相互耦合。所述智能控制电路3的信号接收端INPUT与所述通信接口电路1的发送数据端UART_TXD相连。所述智能控制电路3的状态切换控制端RTS#和所述RS485收发器电路2的收发片选端RE/DE相连。智能控制电路3根据通信接口电路1输出的发送数据信号控制RS485收发器电路2的收发状态切换。
实施例一：
如图4所示，一种RS485通信接口转换装置，包括通信接口电路1、光藕隔离电路4、RS485收发器电路2和智能控制电路3。
通信接口电路1是通用异步收发器UART接口电路，其发送数据端UART TXD和接收数据端UART_RXD分别与光藕隔离电路4的第一通道的输入端TXD1和第二通道的输出端RXD2相连。光藕隔离电路4的第一通道输出端TXD2、第二通道输入端RXD1和第三通道输出端RXD3分别与所述RS485收发器电路2的接收数据端DI、发送数据端RO和收发片选端RE/DE相连。RS485收发器电路2的第一通信端TX+/A和第二通信端TX-/B分别和RS485总线接口相连。所述光藕隔离电路4的电路原理图如图5所示。所述RS485收发器电路2的电路原理图如图6所示。
如图7所示，本发明智能控制电路3包括一单稳态触发器U5A。所述单稳态触发器U5A的下降沿触发输入端A作为智能控制电路3的信号接收端INPUT与通信接口电路1的发送数据端UART_TXD相连，其正向输出端Q作为智能控制电路3的状态切换控制端RTS#与光藕隔离电路4的第三通道输入端TXD3相连，还包括一上拉电阻R12连接于电源VCC和REXT/CEXT端口之间。还包括一电容C10连接于CEXT端口和REXT/CEXT端口之间，其正向输入端B和复位端CLR与电源VCC相连。
其工作原理为：
当UART发送数据时，其发送数据端UART_TXD上会首先产生一个起始位信号，即一个下降沿。单稳态触发器U5A接收到下降沿后，立刻会在状态切换控制端RTS#上产生一个高电平将RS485置为发送状态。当数据全部发送完毕后，单稳态触发器U5A的状态切换控制端RTS#回到低电平，RS485收发器切换到接收状态。由于单稳态高脉冲电平脉宽Twp大于一个字节的发送时间(一个字节最多11bit，Twp＞＝12bit时间，1字节发送期间最多连续8bit高电平，)，而发送每个字节至少会有一个下降沿，在高脉冲期间(Twp)，每遇到一个下降沿，高脉冲就会展宽Twp秒。因此，在连续发送若干字节时，RTS#将一直为高电平，当发送完最后一个字节后，距离最后一个字节的最后一个下降沿Twp秒后，RTS#回到低电平。
通过调整图7中上拉电阻R12和电容C10的值，可支持更低的波特率。C10*R12的值越大，单稳态触发器U5A被触发时产生的脉冲宽度就越宽，反之越小。对于本电路，当单稳态的脉宽Twp应该大于Tw(计数器U7B计数到12的时间，也就是UART通信接口发送12bit数据的时间)，Tw＝12*1/baudrate(秒)，当通信波特率越高Tw越小，波特率越低Tw越大。当Twp＜Tw时，可能就会丢数。
因为Twp≈k*R12*C10，k为常数，且Twp＞Tw，因此可以推导出k*r12*c10＞12/baudate，即：
Baudrate＞12/(k*r12*c10)。
Baudrate为允许(不丢数)的通信波特率。因此R12*C10决定了不丢数的最低通信波特率。R12*C10应取较大的值，这样才可在低波特率的时候不丢数，高波特率也不丢数。
实施例二：
如图8所示，一种RS485通信接口转换装置，包括通信接口电路1、光藕隔离电路4、RS485收发器电路2和智能控制电路3。
通信接口电路1是通用异步收发器UART接口电路，其发送数据端UART TXD和接收数据端UART_RXD分别与光藕隔离电路4的第一通道的输入端TXD1和第二通道的输出端RXD2相连，其时钟输出端BAUD_CLK和发送数据端UART_TXD分别与所述智能控制电路3的时钟信号输入端CLK和信号接收端INPUT相连。光藕隔离电路4的第一通道输出端TXD2、第二通道输入端RXD1和第三通道输出端RXD3分别与所述RS485收发器电路2的接收数据端DI、发送数据端RO和收发片选端RE/DE相连。RS485收发器电路2的第一通信端TX+/A和第二通信端TX-/B分别和RS485总线接口相连。所述光藕隔离电路4的电路原理图如图5所示。所述RS485收发器电路2的电路原理图如图6所示。
如图9所示，智能控制电路3包括单稳态触发器U5A、第一与非门U6A、第二与非门U6B、第一计数器U7A和第二计数器U7B。
单稳态触发器U5A的下降沿触发输入端A作为智能控制电路3的信号接收端INPUT，与通信接口电路1的发送数据端UART TXD相连，其正向输入端B与电源VCC相连，其复位端CLR与第二与非门U6B的输出端相连，其正向输出端Q作为智能控制电路3的状态切换控制端RTS#，与第一与非门U6A的第二输入端相连。第一与非门U6A的第一输入端与单稳态触发器U5A的下降沿触发输入端A相连，其输出端与第一计数器U7A的复位端CLR及第二计数器U7B的复位端CLR相连。第一计数器U7A的输入端A作为智能控制电路3的时钟信号输入端CLK，与通信接口电路1的时钟输出端BAUD_CLK相连，其第四输出端QD与第二计数器U7B的输入端A相连。第二计数器U7B的第三输出端QC和第四输出端QD分别与所述第二与非门U6B的第一和第二输入端相连。单稳态触发器U5A还包括一上拉电阻R12连接于电源VCC和REXT/CEXT端口之间，还包括一电容C10连接于CEXT端口和REXT/CEXT端口之间。
其工作原理为：
如图10所示，当UART发送数据时，其发送数据端UART_TXD上会首先产生一个起始位信号，即一个下降沿。单稳态触发器U5A接收到下降沿后，立刻会在状态切换控制端RTS#上产生一个高电平将RS485置为发送状态，此后，当发送数据端UART_TXD为高电平时第一计数器U7A和第二计数器U7B开始计数。当第二计数器U7B计数到12个BAUD_CLK(相当于发送12bit数据的时间)时，单稳态触发器U5A的状态切换控制端RTS#回到低电平，RS485收发器切换到接收状态，同时第一计数器U7A和第二计数器U7B被清零，单稳态触发器U5A又回到触发状态。
UART的发送数据端UART_TXD发送一个字节数据时，最多发送11bit数据(发送一个bit所需时间和BAUD_CLK一个周期相同)。而在这些数据bit中，至少会有一个bit的低电平(起始位)，这个低电平会将第一计数器U7A/第二计数器U7B清零。因此，在发送一个字节或者连续发送若干字节数据的过程中，第二计数器U7B永远不可能计数到12。只有当发送数据端UART_TXD发送完数据，第二计数器U7B才可能计数到12，因此可保证发送数据时数据不丢失。
综上所述，本发明装置的特点是：①利用单稳态触发器U5A实现RS485收发器收发状态的自动切换；②利用两个计数器来实现RS485收发器收发状态切换时间的通信波特率自适应(波特率越高切换越快)；③利用计数器的输出信号来调制单稳态触发器U5A的脉冲宽度，克服了单稳态触发器U5A脉冲宽度不稳定的缺陷；由于智能控制电路3中器件R12和C10误差的存在，以及单稳态触发器U5A自身机制的原因，单稳态脉冲宽度存在较大范围的波动，但是本发明装置中单稳态脉冲宽度仅由通信波特率确定，因此脉冲宽度误差非常小；④收发状态切换时间短，通信可靠，RS485口在高波特率通信时数据不丢失；⑤利用发送数据端UART_TXD和状态切换控制端RTS#上的信号来启动和停止计数器。
实施例三：
如图11所示，一种RS485通信接口转换装置，包括通信接口电路1、光藕隔离电路4、RS485收发器电路2和智能控制电路3。
如图12所示，通信接口电路1包括一个RS232收发器电路11。所述RS232收发器电路11的第一通信端RIN和第二通信端TOUT分别和RS232总线接口相连，其发送数据端UART_TXD和接收数据端UART_RXD分别与光藕隔离电路4的第一通道的输入端TXD1和第二通道的输出端RXD2相连，其发送数据端UART_TXD还与智能控制电路3的信号接收端INPUT相连，智能控制电路3的状态切换控制端RTS#与光藕隔离电路的第三通道输入端TXD3相连。光藕隔离电路4的第一通道输出端TXD2、第二通道输入端RXD1和第三通道输出端RXD3分别与所述RS485收发器电路2的接收数据端DI、发送数据端RO和收发片选端RE/DE相连。RS485收发器电路2的第一通信端TX+/A和第二通信端TX-/B分别和RS485总线接口相连。所述光藕隔离电路4的电路原理图如图5所示。所述RS485收发器电路2的电路原理图如图6所示。
本实施例中智能控制电路3是在图9电路的基础上增加了一个时钟信号发生电路31。所述时钟信号发生电路31的时钟输出端CLKOUT和所述时钟信号输入端CLK相连。
如图13所示，时钟信号发生电路31包括晶体振荡器U31、第三计数器U33A和拨码开关S31。晶体振荡器U31的时钟输出端CLK与所述第三计数器U33A的输入端、拨码开关S31的第五输入端相连。第三计数器U33A的复位端CLR接地，其第一、第二、第三和第四输出端分别和拨码开关S31的第四、第三、第二和第一输入端相连。拨码开关S31的第十三、第十四、第十五和第十六输出端并联连接在一起，作为一时钟输出端CLKOUT与时钟信号输入端CLK相连。
当拨码开关S31的第一到第五输入端处于关断状态(off)时，支持2400bps以上的波特率通信(通过调整图9中上拉电阻R12和电容C10的值，可支持更低的波特率)；当拨码开关S31的第一输入端处于导通状态(on)时，支持9600以上的波特率，以此类推。
本实施例所述一种RS485通信接口转换装置的工作原理及特点和实施例二相似。
Claims (7)
1、一种RS485通信接口转换装置，包括通信接口电路(1)和RS485收发器电路(2)，两者相互耦合，其特征在于：还包括与所述通信接口电路(1)及RS485收发器电路(2)相耦合的智能控制电路(3)；所述智能控制电路(3)根据通信接口电路(1)的发送数据信号控制RS485收发器电路(2)的收发状态切换。
2、根据权利要求1所述的一种RS485通信接口转换装置，其特征在于：所述通信接口电路(1)是通用异步收发器(UART)，其发送数据端(UART_TXD)和接收数据端(UART_RXD)分别与所述RS485收发器电路(2)的接收数据端(DI)和发送数据端(RO)耦合，其发送数据端(UART TXD)和时钟输出端(BAUD CLK)分别与智能控制电路(3)的信号接收端(INPUT)和时钟信号输入端(CLK)相连。
3、根据权利要求1所述的一种RS485通信接口转换装置，其特征在于：所述通信接口电路(1)包括一个RS232收发器电路(11)，所述RS232收发器电路(11)的第一接收数据端(RIN)、第二数据发送端(TOUT)分别与RS232总线接口相连，其发送数据端(UART_TXD)、接收数据端(UART_RXD)分别与所述RS485收发器电路(2)的接收数据端(DI)和发送数据端(RO)耦合，其发送数据端(UART_TXD)还与智能控制电路(3)的信号接收端(INPUT)相连。
4、根据权利要求1所述的一种RS485通信接口转换装置，其特征在于：所述智能控制电路(3)包括一个单稳态触发器(U5A)，所述单稳态触发器(U5A)的下降沿触发输入端(A)作为智能控制电路(3)的信号接收端(INPUT)与所述通信接口电路(1)的发送数据端(UART TXD)相连，其正向输出端(Q)作为智能控制电路(3)的状态切换控制端(RTS#)与所述RS485收发器电路(2)的收发片选端(RE/DE)耦合。
5、根据权利要求4所述的一种RS485通信接口转换装置，其特征在于：所述智能控制电路(3)还包括第一与非门(U6A)、第二与非门(U6B)、第一计数器(U7A)和第二计数器(U7B)；
所述单稳态触发器(U5A)的下降沿触发输入端(A)作为智能控制电路(3)的信号接收端(INPUT)与所述通信接口电路(1)的发送数据端(UART_TXD)相连，其复位端(CLR)与所述第二与非门(U6B)的输出端相连，其正向输出端(Q)作为智能控制电路(3)的状态切换控制端(RTS#)，与第一与非门(U6A)的第二输入端相连；
所述第一与非门(U6A)的第一输入端与所述通信接口电路(1)的发送数据端(UART_TXD)相连，其输出端与所述第一计数器(U7A)的复位端和第二计数器(U7B)的复位端相连；
所述第一计数器(U7A)的第一输入端作为智能控制电路(3)的时钟信号输入端(CLK)与所述通信接口电路(1)的时钟输出端(BAUD_CLK)相连，其第四输出端与所述第二计数器(U7B)的输入端相连；
所述第二计数器(U7B)的第三和第四输出端分别与所述第二与非门(U6B)的第一和第二输入端相连。
6、根据权利要求5所述的一种RS485通信接口转换装置，其特征在于：智能控制电路(3)还包括时钟信号发生电路(31)，所述时钟信号发生电路(31)包括晶体振荡器(U31)、第三计数器(U33A)和拨码开关(S31)；所述晶体振荡器(U31)的时钟输出端与所述第三计数器(U33A)的输入端(A)、拨码开关(S31)的第五输入端相连；所述第三计数器(U33A)的复位端(CLR)接地，其第一输出端(QA)、第二输出端(QB)、第三输出端(QC)和第四输出端(QD)分别和所述拨码开关(S31)的第四、第三、第二和第一输入端相连；所述拨码开关(S31)的第十三、第十四、第十五和第十六输出端并联在一起作为一个时钟输出端(CLKOUT)与时钟信号输入端(CLK)相连。
7、根据权利要求1到6所述的任何一种RS485通信接口转换装置，其特征在于：还包括光藕隔离电路(4)，其第一通道的输入端(TXD1)和第二通道的输出端(RXD2)分别与所述通信接口电路(1)的发送数据端(UART_TXD)和接收数据端(UART RXD)相连，其第一通道输出端(TXD2)和第二通道输入端(RXD1)与所述RS485收发器电路(2)的接收数据端(DI)和发送数据端(RO)相连；所述智能控制电路(3)的状态切换控制端(RTS#)与光藕隔离电路(4)的第三通道输入端(TXD3)相连，所述RS485收发器电路(2)的收发片选端(RE/DE)与光藕隔离电路(4)的第三通道输出端(RXD3)相连。
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