CN208888806U - 一种串口电平转换器及其应用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种串口电平转换器，用于MCU与RS232间电平转换，其特征在于，包括：第一转换电路、第二转换电路、共用电路及保护电路；所述第一转换电路包括PNP型三极管及第一限流件；所述第二转换电路包括NPN型三极管及第二限流件；所述共用电路包括：阴极电性连接于所述第一转换电路的第五电容；所述保护电路包括：电性连接于所述第一转换电路上的第一双向TVS管，电性连接于所述第二转换电路上的第二双向TVS管。本实用新型通过采用独立电子元件进行电平转换，在保证串口通信质量前提下，电路结构简单，另外，还通过设置保护电路形成多级保护，防瞬变脉冲，有效的保护转换电路，同时还降低嵌入式系统硬件生产成本。

Description

一种串口电平转换器及其应用系统

技术领域

本实用新型涉及计算机硬件传输技术领域，具体涉及一种串口电平转换器及其应用系统。

背景技术

在进行嵌入式系统开发中，很多MCU工作电压比较低为3.3V，在进行程序调试或程序下载时，需要将3.3V CMOS的串口信号进行电平变换和反相，使其满足RS232电平标准，并要保证在经常性的插拔过程中不易损坏。目前，解决方法一般有两种，一种是直接使用串口转USB协议芯片集成到嵌入式主板中实现，比如FT232、CH340或PL2302等，这种方法方便快捷，但是协议转换芯片成本较高，增加嵌入式系统硬件成本，且没有较好的瞬变电压保护电路。另外一种是，使用专用电平转换芯片将3.3V CMOS电平转换成RS232电平，比如 MAX232，也没有较好的瞬变电压保护电路。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种串口电平转换器及其应用系统，可以在满足 CMOS串口电平与RS232电平的转换，降低嵌入式系统硬件生产成本的同时，避免因经常插拔RS232接口操作出现瞬变电压而导致的接口损坏。

一方面，本实用新型提供一种串口电平转换器，用于MCU与RS232间电平转换，包括：第一转换电路、第二转换电路、共用电路及保护电路；

所述第一转换电路包括PNP型三极管及第一限流件，所述第一转换电路通过所述PNP型三极管的基极电性连接于MCU输出端，通过所述PNP型三极管的发射极电性连接保护电路及RS232输入端；

所述第二转换电路包括NPN型三极管及第二限流件，所述第二转换电路通过所述NPN型三极管的集电极电性连接MCU输入端，通过所述NPN型三极管的基极电性连接保护电路及RS232输出端；

所述共用电路包括：阴极电性连接于所述第一转换电路的第五电容，第一二极管以及第四二极管，所述第二电路电性连接于所述第一二极管的阳极；

所述保护电路包括：电性连接于所述第一转换电路上的第一双向TVS管、第四电阻、第一电容、第四电容以及第一磁珠，电性连接于所述第二转换电路上的第二双向TVS管、第五电阻、第二电容、第三电容以及第二磁珠，以及第六电容。

优选的，所述第一限流件包括：第一电源，第一电阻，第二电阻，第三电阻；

所述PNP型三极管发射极接第一电源，所述PNP型三极管的基极通过所述第一电阻电性连接到发射极，所述PNP型三极管的基极还通过所述第二电阻电性连接到MCU输出端，所述PNP型三极管的集电极通过第三电阻分别电性连接到所述第五电容、第一二极管以及第四二极管的阴极，所述PNP型三极管的集电极还电性连接所述保护电路及所述RS232输入端。所述第一限流件用于在所述第一转换电路起到限定电流的作用，以保护电子元件。

优选的，在所述共用电路中，所述第五电容与所述第四二极管的阳极接系统地，所述第一二极管的阳极经由保护电路电性连接到RS232输出端。这样，所述第五电容就可以使电路得到负电压。

优选的，所述第二限流件包括：第二电源，第六电阻，第七电阻以及第八电阻；

所述NPN三极管的集电极电性连接于MCU输入端，所述NPN三极管的集电极还通过所述第六电阻电性连接到第二电源，所述NPN三极管的基极经分别电性连接第七电阻及第八电阻的一端，所述第七电阻另一端经由保护电路电性连接到RS232输出端，所述NPN三极管的发射极接地，所述第八电阻的另一端接地。

优选的，所述第七电阻另一端还电性连接于所述第一二极管的阳极，以使所述第二转换电路通过所述第一二极管连接到RS232输入端。

优选的，在所述保护电路中，所述第一双向TVS管一端电性连接于所述第一转换电路中的所述PNP型三极管的集电极，所述第二双向TVS管一端通过所述第七电阻与所述第二转换电路中的所述NPN型三极管的基板电性连接。

优选的，在所述保护电路中，所述第一电容一端电性连接于所述第一转换电路中的所述PNP型三极管的集电极，所述第二电容一端通过所述第七电阻电性连接于所述第二转换电路中的所述NPN型三极管的基极。

优选的，所述第四电阻、第五电阻的一端分别接RS232输入端和输出端，另一端分别连接第一磁珠、第二磁珠和第四电容、第三电容，所述第四电容、第三电容的另一端接系统地，所述第一磁珠、第二磁珠的另一端分别电性连接第一双向TVS管、第二双向TVS管。

优选的，第一电容、第二电容以及第一双向TVS管、第二双向TVS管的另一端接外壳地，并通过第六电容与系统地连接同时分别接入所述串口电平转换电路。

另一方面，一种串口电平转换器应用系统，所述系统包括：嵌入式主板上的MCU、嵌入式主板上的带保护的串口电平转换器、USB转RS232转换器、终端。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：

可以看出，本实用新型通过采用独立电子元件进行电平转换，在保证串口通信质量前提下，电路结构简单，另外，还通过设置保护电路形成多级保护，防瞬变脉冲，有效的保护转换电路，同时还降低嵌入式系统硬件生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型的电路原理图；

图2是本实用新型的系统应用框图。

图1中：1、第一转换电路；11、PNP型三极管；12、第一电阻；13、第二电阻；14、第三电阻；15、第一电源；2、第二转换电路；21、NPN型三极管； 22、第六电阻；23、第八电阻；24、第七电阻；25、第二电源3、公共电路；31、第五电容；32、第四二极管；33、第一二极管；4、保护电路；40、第六电容； 41、第一双向TVS管；42、第二双向TVS管；43、第一电容；44、第二电容；45、第三电容；46、第四电容；47、第二磁珠；48、第一磁珠；491、第四电阻； 492、第五电阻；6、DB9接口；61、RS232输入端；62、RS232输出端；7、外壳地；8、系统地；91、MCU输出端；92、MCU输入端；

图2中：201、嵌入式主板；202、串口电平转换器；203、MCU；204、USB 转RS232转换器；205、终端。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本实用新型的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本实用新型中的电子装置可以包括：具有USB接口的服务器、智能摄像设备、智能手机(如Android手机、iOS手机、Windows Phone手机等)、平板电脑、掌上电脑、笔记本电脑、移动互联网设备(MID，Mobile Internet Devices) 或穿戴式设备等，上述电子装置仅是举例，而非穷举，包含但不限于上述电子装置，为了描述的方便，下面实施例中将上述电子装置称为用户设备(User equipment，UE)、终端或电子设备。当然在实际应用中，上述用户设备也不限于上述变现形式，例如还可以包括：智能车载终端、计算机设备等等。

第一方面，如图1所示，本实用新型提供一种串口电平转换器，用于MCU 与RS232间电平转换，包括：第一转换电路1、第二转换电路2、共用电路3及保护电路4；

所述第一转换电路1包括PNP型三极管11及第一限流件，所述第一转换电路1通过所述PNP型三极管11的基极电性连接于MCU输出端91，通过所述 PNP型三极管11的发射极电性连接保护电路4及RS232输入端61；

所述第二转换电路2包括NPN型三极管21及第二限流件，所述第二转换电路2通过所述NPN型三极管21的集电极电性连接MCU输入端92，通过所述NPN型三极管21的基极电性连接保护电路4及RS232输出端62；

所述共用电路3包括：阴极电性连接于所述第一转换电路1的第五电容31，第一二极管33以及第四二极管32，所述第二电路2电性连接于所述第一二极管 33的阳极；

所述保护电路4包括：电性连接于所述第一转换电路1上的第一双向TVS 管41、第四电阻491、第一电容43、第四电容46以及第一磁珠48，电性连接于所述第二转换电路2上的第二双向TVS管42、第五电阻492、第二电容44、第三电容45以及第二磁珠47，以及第六电容40。

其中，所述第一限流件包括：第一电源14，第一电阻12，第二电阻13，第三电阻14；

所述PNP型三极管11发射极接第一电源14，所述PNP型三极管11的基极通过所述第一电阻12电性连接到发射极，所述PNP型三极管11的基极还通过所述第二电阻13电性连接到MCU输出端91，所述PNP型三极管11的集电极通过第三电阻14分别电性连接到所述第五电容31、第一二极管33以及第四二极管32的阴极，所述PNP型三极管11的集电极还电性连接所述保护电路4及所述RS232输入端61。所述第一限流件用于在所述第一转换电路1起到限定电流的作用，以保护电子元件。

在所述共用电路3中，所述第五电容31与所述第四二极管32的阳极接系统地8，所述第一二极管33的阳极经由保护电路4电性连接到RS232输出端62。这样，所述第五电容31就可使电路得到负电压。

所述第二限流件包括：第二电源25，第六电阻22，第七电阻24以及第八电阻23；

所述NPN型三极管21的集电极电性连接于MCU输入端92，所述NPN型三极管21的集电极还通过所述第六电阻22电性连接到第二电源25，所述NPN 型三极管21的基极经分别电性连接第七电阻24及第八电阻23的一端，所述第七电阻24另一端经由保护电路4电性连接到RS232输出端62，所述NPN型三极管21的发射极接地，所述第八电阻23的另一端接地。

所述第七电阻24另一端还电性连接于所述第一二极管33的阳极，以使所述第二转换电路2通过所述第一二极管33连接到RS232输入端61。

在所述保护电路4中，所述第一双向TVS管41一端电性连接于所述第一转换电路1中的所述PNP型三极管11的集电极，所述第二双向TVS管42一端通过所述第七电阻24与所述第二转换电路2中的所述NPN型三极管21的基极电性连接。

在所述保护电路4中，所述第一电容43一端电性连接于所述第一转换电路 1中的所述PNP型三极管11的集电极，所述第二电容44一端通过所述第七电阻24电性连接于所述第二转换电路2中的所述NPN型三极管21的基极。

所述第四电阻491、第五电阻492的一端分别接RS232输入端61和RS232 输出端62，另一端分别连接第一磁珠48、第二磁珠47和第四电容46、第三电容45，所述第四电容46、第三电容45的另一端接系统地8，所述第一磁珠48、第二磁珠47的另一端分别电性连接第一双向TVS管41、第二双向TVS管42。

第一电容43、第二电容44以及第一双向TVS管41、第二双向TVS管42 的另一端接外壳地7，并通过所述第六电容40与系统地8连接，同时分别接入所述串口电平转换电路。

进一步的，所述PNP型三极管11型号MMBT3906、所述NPN型三极管21 型号MMBT3904；所述第一电阻12＝1KΩ、第二电阻13＝2.2KΩ、第三电阻14＝2K Ω、第六电阻22＝4.7KΩ、第七电阻24＝4.7KΩ、第八电阻23＝2.2KΩ；型号为 1N4148第一二极管33、第四二极管32；一个100uF的第五电容31，所述第五电容31为极性电容；所述第一电源15为3.3V电源，所述第二电源25为3.3V 电源。

所述PNP型三极管11为MCU串口输出通道关键元件，MCU(MCU TXD) 输出端连接所述PNP型三极管11基极，通过所述PNP型三极管11基极输入集电极输出，电性连接到RS232输入端61(RS232RXD)，实现信号反相；当MCU 输出端91输出逻辑0(0V)时，经过所述PNP型三极管11输出电路转换为约 3.1V电压(RS232逻辑0，电压范围3v～15V)；当MCU输出端91输出逻辑1 (3.3V)时，经过所述PNP型三极管11输出电路转换为约-5.3V电压(RS232 逻辑1，电压范围-3V～-15V)；需要说明的是，本实用新型中的测试条件为，使用Z-TEK公司USB转RS232连接器ZE551A。

具体的，在所述PNP型三极管11构成的MCU CMOS串口电平转换RS232 电平电路中，当MCU输出端91输出逻辑0(0V)时，所述PNP型三极管11 工作于饱和状态，发射极输出电压为Vout(输出电压)＝Vcc(电源电压：Volt Current Condenser)-Vce(发射级与集电极间电压)(SAT)＝3.3V-0.2V＝3.1V，Vout 对于RS232而言属于逻辑0(RS232逻辑0标准电压3V～15V，而ZE551A转换器逻辑0电平为>1.2V)；当MCU输出端91输出逻辑1(3.3V)时，所述PNP 型三极管11工作于截止状态，发射极输出电压约为-5.3V，对于RS232而言属于逻辑1(-3V～-15V)。

所述NPN型三极管21为MCU串口输入通道关键元件，MCU(MCU RXD) 输入端92接所述NPN型三极管21集电极，RS232输出端62(RS232 TXD)接所述NPN型三极管21基极，构成一个三极管基极输入集电极输出电路，此电路具备反相和电平变换功能。当RS232输出端62输出逻辑0(RS232逻辑0电压范围3V～15V，测试所用USB转RS232逻辑0约为7V)经过所述NPN型三极管 21输入电路变换为0V(MCU串口逻辑0)；当RS232输出端62输出逻辑1(RS232 逻辑1电压范围-3V～-15V，测试所用USB转RS232逻辑1约为-6V)经过所述 NPN型三极管21输入电路变换为3.3V(MCU串口逻辑1)。

在所述NPN型三极管21构成的RS232串口电平转换MCU CMOS电平转换电路中，当RS232输出端62输出逻辑0时(7V)，所述NPN型三极管21基极电压约为1.23V>Vbe(基级与发射级间电压)(SAT)(约0.7V)，所述NPN型三极管21导通，且所述NPN型三极管21集电极输出电压约为0.3V，对于MCU CMOS电路而言属于逻辑0(0.3V<0.2*VCC)；当RS232输出端62输出逻辑1 时(-6V)，所述NPN型三极管21基极电压约为-1.9V<Vbe(SAT)(约0.7V)，所述NPN型三极管21截止，所述NPN型三极管21集电极输出电压约为3.3V，对于MCU CMOS电路而言属于逻辑1(3.3V>0.7*VCC)。

保护电路模块包括型号为BV15C第一双向TVS管41、第二双向TVS管42，用于静电、浪涌等瞬变电压泻放；额定电流200mA、阻抗600Ω/100MHz载第一磁珠48、第二磁珠47，用于抑制瞬变脉冲；第四电阻491＝100Ω、第五电阻 492＝100Ω，用于限流；第一电容43、第二电容44、第三电容45、第四电容46 为330pF、第六电容40为1000pF，也用于瞬变脉冲泄放。

在保护电路中，当RS232信号线引入浪涌电压或人体带静电触摸到DB9接口6金属壳，或DB9接口6引脚时，第一双向TVS管41、第二双向TVS管42 可以泄放静电、浪涌等瞬变电压；两个第一磁珠48、第二磁珠47，可以抑制瞬变脉冲；第四电阻491、第五电阻492可以限流；第一电容43、第二电容44、第三电容45、第四电容46、第六电容40用于瞬变脉冲泄放。构成多级保护电路，有效保护转换电路。

第二方面，一种串口电平转换器应用系统，所述系统包括：嵌入式主板201 上的MCU203、嵌入式主板201上的串口电平转换器202、USB转RS232转换器204、终端205。

所述应用系统主要用于嵌入式主板201上MCU203的UART接口与电脑 RS232接口之间的连接转换，并提供稳定、可靠的信号传输通道。在嵌入式系统设计、开发、调试过程中，需要用到MCU203的串口进行程序下载或程序调试，由于MCU203的UART电平与终端205的RS232电平标准不同，因此需要通过本实用新型的串口电平转换器202进行转换。

MCU203串口发送数据过程：MCU203的UART-TXD接口发出CMOS电平数据信号经过第一方面所述的串口电平转换器202变换成RS232电平数据信号，传入USB转RS232转换器204将串口数据封装成USB协议数据，再传入终端 205的USB接口。

MCU203串口接收数据过程：终端205的USB接口输出USB协议数据，传入USB转RS232转换器204变换成RS232协议数据，再经过第一方面所述的串口电平转换器202换成成CMOS电平数据，传入MCU202中。

以上对本实用新型实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种串口电平转换器，用于MCU与RS232间电平转换，其特征在于，包括：第一转换电路、第二转换电路、共用电路及保护电路；

所述第一转换电路包括PNP型三极管及第一限流件，所述第一转换电路通过所述PNP型三极管的基极电性连接于MCU输出端，通过所述PNP型三极管的发射极电性连接保护电路及RS232输入端；

所述第二转换电路包括NPN型三极管及第二限流件，所述第二转换电路通过所述NPN型三极管的集电极电性连接MCU输入端，通过所述NPN型三极管的基极电性连接保护电路及RS232输出端；

所述共用电路包括：阴极电性连接于所述第一转换电路的第五电容，第一二极管以及第四二极管，所述第二转换电路电性连接于所述第一二极管的阳极；

所述保护电路包括：电性连接于所述第一转换电路上的第一双向TVS管、第四电阻、第一电容、第四电容以及第一磁珠，电性连接于所述第二转换电路上的第二双向TVS管、第五电阻、第二电容、第三电容以及第二磁珠，以及第六电容。

2.如权利要求1所述的串口电平转换器，其特征在于，所述第一限流件包括：第一电源，第一电阻，第二电阻，第三电阻；

所述PNP型三极管发射极接第一电源，所述PNP型三极管的基极通过所述第一电阻电性连接到发射极，所述PNP型三极管的基极还通过所述第二电阻电性连接到MCU输出端，所述PNP型三极管的集电极通过第三电阻14分别电性连接到所述第五电容、第一二极管以及第四二极管的阴极，所述PNP型三极管的集电极还电性连接所述保护电路及所述RS232输入端。

3.如权利要求1所述的串口电平转换器，其特征在于，在所述共用电路中，所述第五电容与所述第四二极管的阳极接系统地，所述第一二极管的阳极经由保护电路电性连接到RS232输出端。

4.如权利要求1－3任一所述的串口电平转换器，其特征在于，所述第二限流件包括：第二电源，第六电阻，第七电阻以及第八电阻；

所述NPN三极管的集电极电性连接于MCU输入端，所述NPN三极管的集电极还通过所述第六电阻电性连接到第二电源，所述NPN三极管的基极经分别电性连接第七电阻及第八电阻的一端，所述第七电阻另一端经由保护电路电性连接到RS232输出端，所述NPN三极管的发射极接地，所述第八电阻的另一端接地。

5.如权利要求4所述的串口电平转换器，其特征在于，所述第七电阻24另一端还电性连接于所述第一二极管的阳极，以使所述第二转换电路通过所述第一二极管33连接到RS232输入端。

6.如权利要求5所述的串口电平转换器，其特征在于，在所述保护电路中，所述第一双向TVS管一端电性连接于所述第一转换电路中的所述PNP型三极管的集电极，所述第二双向TVS管一端通过所述第七电阻与所述第二转换电路中的所述NPN型三极管的基板电性连接。

7.如权利要求6所述的串口电平转换器，其特征在于，在所述保护电路中，所述第一电容一端电性连接于所述第一转换电路中的所述PNP型三极管的集电极，所述第二电容一端通过所述第七电阻电性连接于所述第二转换电路中的所述NPN型三极管的基极。

8.如权利要求7所述的串口电平转换器，其特征在于，所述第四电阻、第五电阻的一端分别接RS232输入端和输出端，另一端分别连接第一磁珠、第二磁珠和第四电容、第三电容，所述第四电容、第三电容的另一端接系统地，所述第一磁珠、第二磁珠的另一端分别电性连接第一双向TVS管、第二双向TVS管。

9.如权利要求8所述的串口电平转换器，其特征在于，第一电容、第二电容以及第一双向TVS管、第二双向TVS管的另一端接外壳地7，并通过第六电容与系统地连接同时分别接入所述串口电平转换电路。

10.一种串口电平转换器应用系统，其特征在于，所述系统包括：嵌入式主板上的MCU、嵌入式主板上的如权利要求1－9任一所述的串口电平转换器、USB转RS232转换器及终端。