CN214896593U - 可编程rs485切换器电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可编程RS485切换器电路，其特征在于：包括MCU、RS485接口芯片、上行RS485端口、一对相同的CMOS模拟开关，多个下行RS485端口，其中RS485接口芯片连接上位机与MCU，上行RS485端口连接上位机和两个CMOS模拟开关，两个CMOS模拟开关受控于MCU，同时两个CMOS模拟开关共接多个下行RS485端口。本实用新型使监控PC上位机通过RS485总线能够连接的下位机数量不受限于监控PC上位机自身RS485端口数量。

Description

可编程RS485切换器电路

技术领域

本实用新型涉及RS485通讯模块领域，具体是一种可编程RS485切换器电路。

背景技术

RS485接口具有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点，使其成为首选的串行接口，且RS485可带多个负载，只要对程序稍做修改即可实现一台PC机(上位机)监控多台下位机或者仪器仪表。在平日的应用如计量检定中，检验人员能够接触到大量仪器仪表，其中大部分的智能仪表都带有RS485通信端口。RS485以其成本优势和实施简便已成为各种工业设备的网络通讯接口，其在工业控制中发挥着重要的作用。

随着下位机或者仪器仪表数量增多，1路RS485总线不够用，需要增加多路RS485总线，但是一般监控PC的RS485端口数量很少，难以满足多路RS485总线接入需求，导致监控PC接入RS485总线的数量受到限制的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可编程RS485切换器电路，以解决现有技术监控PC上位机受制于自身RS485端口导致的RS485总线接入数量受限制的问题。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

可编程RS485切换器电路，其特征在于：包括MCU、RS485接口芯片、上行RS485端口、一对相同的CMOS模拟开关，多个下行RS485端口，其中：

RS485接口芯片的接收差分信号端和发送差分信号端分别对应连接上位机的RS485通讯发送端和RS485通讯接收端，RS485接口芯片的接收器输出端和发送器输入端分别对应与MCU的I/O接收复用口、I/O发送复用口连接，RS485接口芯片的接收、发送使能端分别与MCU的I/O口连接，由此实现MCU与上位机的双向通讯；

上行RS485端口具有至少两个针脚，上行RS485端口其中一个针脚连接上位机通讯数据输出、其中一个CMOS模拟开关的串行通讯端，上行RS485端口另一个针脚连接上位机通讯数据输入、另一个CMOS模拟开关的串行通讯端，由此其中一个CMOS模拟开关控制上位机通讯数据输出，另一个CMOS模拟开关控制上位机通讯数据输入；

设每个CMOS模拟开关分别具有n个选择输入端，每个CMOS模拟开关的各个选择输入端分别与MCU的I/O口连接，每个CMOS模拟开关的禁止输入端分别接地，由MCU通过自身I/O口向每个CMOS模拟开关的每个选择输入端输出高电平或低电平；

所述下行RS485端口的数量为2ⁿ，每个下行RS485端口分别具有至少两个针脚用于连接下位机，其中一个CMOS模拟开关的I/O口分别与各个下行RS485端口的其中一个针脚连接，另一个CMOS模拟开关的I/O口分别与各个下行RS485端口的另一个针脚连接，由两个CMOS模拟开关同时受控于MCU，以使上行RS485端口切换连接不同的下行RS485端口。

所述的可编程RS485切换器电路，其特征在于：还包括可编程控制RS485端口，可编程控制RS485端口具有至少两个针脚，可编程控制RS485端口其中一个针脚连接上位机的RS485通讯发送端、RS485接口芯片的接收差分信号端，可编程控制RS485端口另一个针脚连接上位机的RS485通讯接收端、RS485接口芯片的发送差分信号端。

所述的可编程RS485切换器电路，其特征在于：还包括稳压器电路，稳压器电路电源输入端外接电源，稳压器电路电源输出端分别供电连接至MCU、RS485接口芯片、各个CMOS模拟开关的电源输入端。

所述的可编程RS485切换器电路，其特征在于：所述MCU、RS485接口芯片、各个CMOS模拟开关的电源输入端还分别连接有电容滤波电路。

所述的可编程RS485切换器电路，其特征在于：MCU的I/O调试复用口连接有调试接口电路。

本实用新型中，监控PC上位机可通过上行RS485端口、两个CMOS模拟开关、各个下行RS485端口与各个下位机连接。监控PC上位机还可通过RS485接口芯片与MCU连接。

工作时，监控PC上位机通过RS485接口芯片与MCU双向通讯，MCU通过I/O口向每个CMOS模拟开关的选择输入端发送高电平或低电平，配合每个CMOS模拟开关自身禁止输入端高、低电平的翻转，能够使两个CMOS模拟开关同时选择导通相同任意一个下行RS485端口，由此可使上行RS48端口切换选择导通任意一个下行RS485端口，即实现了监控PC上位机切换选择与任意一个下位机的双向通讯。

通过上述方式，增加了监控PC上位机能够连接的RS485总线数量，从而使监控PC上位机通过RS485总线能够连接的下位机数量不受限于监控PC上位机自身RS485端口数量。

附图说明

图1是本实用新型实施例中MCU电路原理图。

图2是本实用新型实施例中RS485接口芯片电路原理图。

图3是本实用新型实施例中上行RS485端口电路原理图。

图4a是本实用新型实施例中一路CMOS模拟开关电路原理图。

图4b是本实用新型实施例中另一路CMOS模拟开关电路原理图。

图5是本实用新型实施例中八路下行RS485端口电路原理图。

图6是本实用新型实施例中稳压器电路原理图。

图7是本实用新型实施例中调试电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本实施例中以型号为STM32F103CBT6的MCU芯片U1、型号为SP3485的RS485接口芯片U5、型号为CD4051的CMOS模拟开关U2、型号为CD4051的CMOS模拟开关U4、一个规格为5.08mm-2P的上行RS485端口P1，以及八个规格为DB9的下行RS485端口P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10为例，对本实用新型的电路结构进行说明。

如图1、图2所示，RS485接口芯片U5的接收器输出端RO(即RS485接口芯片U5的引脚1)与MCU芯片U1的I/O接收复用口(即MCU芯片U1的PA10/USART1_RX引脚)连接，RS485接口芯片U5的发送器输入端DI(即RS485接口芯片U5的引脚4)与MCU芯片U1的I/O发送复用口(即MCU芯片U1的PA9/USART1_TX引脚)连接，RS485接口芯片U5的接收使能端RE(即RS485接口芯片U5的引脚2)、发送使能端DE(即RS485接口芯片U5的引脚3)共接后与MCU芯片U1的I/O口(即MCU芯片U1的PA11引脚)连接。

如图2所示，RS485接口芯片U5的接收差分信号端A通过型号为SMD1206P005TF的保险丝FUSE1连接上位机的RS485通讯发送端，RS485接口芯片U5的发送差分信号端B通过型号为SMD1206P005TF的保险丝FUSE2连接上位机的RS485通讯接收端，两个保险丝FUSE1、FUSE2后端之间通过串联的电容C13、C14连接，并且电容C13、C14之间接地GND。

具体的，采用一个规格为5.08mm-2P的可编程控制RS485端口P11，该可编程控制RS485端口P11具有两个针脚，其中可编程控制RS485端口P11的针脚1连接上位机的RS485通讯接收端、通过保险丝FUSE2连接RS485接口芯片U5的发送差分信号端B，可编程控制RS485端口P11的针脚2连接上位机的RS485通讯发送端、通过保险丝FUSE1连接RS485接口芯片U5的接收差分信号端A。由此，上位机发出的通讯信号RS485A通过RS485接口芯片U5送入MCU芯片U1，MCU芯片U1发出的通讯信号RS485B通过RS485接口芯片U5送入上位机，从而实现MCU芯片U1与上位机的双向通讯。本实施例中，上位机为监控PC，监控PC可基于MODBUS协议Holding Registers与MCU芯片U1之间双向通讯。

如图3、图4a、图4b所示，上行RS485端口P1具有两个针脚，其中上行RS485端口P1的针脚1分别连接上位机通讯数据输入、CMOS模拟开关U4的串行通讯端COM引脚，上行RS485端口P1的针脚2分别连接上位机通讯数据输出、CMOS模拟开关U2的串行通讯端COM引脚。由此，上位机输出的通讯数据A+进入CMOS模拟开关U2，向上位机输入的通讯数据B-通过CMOS模拟开关U4进入上位机，由CMOS模拟开关U2控制上位机通讯数据输出，CMOS模拟开关U4控制上位机通讯数据输入。

CMOS模拟开关U2和CMOS模拟开关U4分别是单端8通道多路模拟开关，CMOS模拟开关U2和CMOS模拟开关U4分别各自有3个通道选择输入端A、B、C和一个禁止输入端INH。选择输入端A、B、C用来选择通道号，INH用来控制对应的CMOS模拟开关是否有效。CMOS模拟开关U2和CMOS模拟开关U4中，禁止输入端INH和VEE引脚、VSS引脚共接接地GND。每个CMOS模拟开关的禁止输入端INH可翻转为0或1，当INH＝“1”时表示INH为高电平，所有通道均断开，禁止模拟量输入；当INH＝“0”时表示INH＝为低电平，通道接通，允许模拟量输入。

CMOS模拟开关U2的选择输入端A、B、C一一对应与MCU芯片U1的I/O口PA5引脚、PA6引脚、PA7引脚连接，同样CMOS模拟开关U4的选择输入端A、B、C一一对应与MCU芯片U1的I/O口PA5引脚、PA6引脚、PA7引脚连接。由此，MCU芯片U1的I/O口PA5引脚并联有CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4的选择输入端A，MCU芯片U1的I/O口PA6引脚并联有CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4的选择输入端B，MCU芯片U1的I/O口PA7引脚并联有CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4的选择输入端C。

以MCU芯片U1的I/O口PA5引脚为例，当PA5引脚输出高电平时，CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4的选择输入端A同时为高电平，当PA5引脚输出低电平时，CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4的选择输入端A同时为低电平，依此类推，其他选择输入端情况相同。由此，可使MCU芯片U1同时向CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4中的选择输入端发送电平，并且使CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4中的相同选择输入端处于相同电平状态。

如图4a、图4b、图5所示，CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4分别各自具有8个I/O口Y0引脚、Y1引脚、Y2引脚、Y3引脚、Y4引脚、Y5引脚、Y6引脚、Y7引脚。下行RS485端口P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10分别各自具有9个针脚。其中：

CMOS模拟开关U2的I/O口Y0引脚、Y1引脚、Y2引脚、Y3引脚、Y4引脚、Y5引脚、Y6引脚、Y7引脚，一一对应与下行RS485端口P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10的引脚4连接。

CMOS模拟开关U4的I/O口Y0引脚、Y1引脚、Y2引脚、Y3引脚、Y4引脚、Y5引脚、Y6引脚、Y7引脚，一一对应与下行RS485端口P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10的引脚5连接。

下行RS485端口P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10分别各自连接下位机，其中下行RS485端口P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10的引脚4分别与各自对应的下位机的通讯输入端，下行RS485端口P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10的引脚5分别与各自对应的下位机的通讯输出端。

本实用新型中，每个型号为CD4051的CMOS模拟开关的真值表如表1所示：

表1CD4051真值表

INH	C	B	A	输出选择
					0	0	0	0	Y0
0	0	0	1	Y1
					0	0	1	0	Y2
0	0	1	1	Y3
					0	1	0	0	Y4
0	1	0	1	Y5
					0	1	1	0	Y6
0	1	1	1	Y7
					1	x	x	x	均不接通

从表1可以看出，通过MCU芯片U1向CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4中的选择输入端发送电平，可使CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4同时切换选择导通相同任意一个下行RS485端口。

以CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4的I/O口Y0引脚为例，当MCU芯片U1向CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4的选择输入端A、B、C分别输出低电平，且CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4各自的禁止输入端INH分别翻转为低电平，此时CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4同时选择各自I/O口Y0引脚，由此CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关同时与下行RS485端口P3导通。其中CMOS模拟开关U2导通的是下行RS485端口P3的引脚4，用于使上位机通过上行RS485端口P1输出的通讯数据再通过CMOS模拟开关U2送入下行RS485端口P1连接的下位机；CMOS模拟开关U4导通的是下行RS485端口P3的引脚5，用于使下行RS485端口P1连接的下位机输出的通讯数据再通过CMOS模拟开关U4送入上位机连接的上行RS485端口P1，进而送入上位机。

再以CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4的I/O口Y6引脚为例，当MCU芯片U1向CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4的选择输入端A、B、C分别对应输出低电平、高电平、高电平，且CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4各自的禁止输入端INH分别翻转为低电平，此时CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4同时选择各自I/O口Y6引脚，由此CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关同时与下行RS485端口P9导通。其中CMOS模拟开关U2导通的是下行RS485端口P9的引脚4，用于使上位机通过上行RS485端口P1输出的通讯数据再通过CMOS模拟开关U2送入下行RS485端口P9连接的下位机；CMOS模拟开关U4导通的是下行RS485端口P9的引脚5，用于使下行RS485端口P1连接的下位机输出的通讯数据再通过CMOS模拟开关U4送入上位机连接的上行RS485端口P9，进而送入上位机。

依此类推，根据表1所示的真值表，MCU芯片U1能够使CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4同时切换选择导通相同任意一个下行RS485端口，进而使上位机能够切换选择与任意一个下行RS485端口对应连接的下位机双向通讯。

通过上述过程可以看出，当选择型号为CD4051的CMOS模拟开关U2、U4时，由于CMOS模拟开关U2、U4分别各自有3个选择输入端，因此能够实现切换连接的下行RS485端口有8个，即本实施例所能切换连接的下行RS485端口的数量为2³。实际上，若选择的CMOS模拟开关分别有n个选择输入端，那么本实用新型能够连接所能切换连接的下行RS485端口的数量为2ⁿ个。

因此，本实用新型通过选择具有不同选择输入端的CMOS模拟开关，可实现连接不同数量的下行RS485端口。例如如果需要实现1路上行RS485端口到16路下行RS485端口的扩展，硬件只需要将2片型号为CD4051的CMOS模拟开关替换为2片型号为CD4067的CMOS模拟开关。型号为CD4067的CMOS模拟开关为是单端8通道多路模拟开关，它有4个通道选择输入端A、B、C、D，因此其能扩展连接的下行RS485端口数量有2⁴＝16个。MCU芯片U1增加一个I/O口用于连接型号为CD4067的CMOS模拟开关多出的一个选择输入端D。型号为CD4067的CMOS模拟开关的真值表如表2所示：

表2CD4067真值表

从表2的真值表看出，通过替换4个选择输入端的型号为CD4067的CMOS模拟开关，完全能够实现扩展连接16路下行RS485端口。因此，本实用新型通过选择不同数量选择输入端的CMOS模拟开关，可扩展所连接的下行RS485端口数量。

如图6所示，本实施例还包括稳压器电路，稳压器电路包括型号为AMS1117-3.3的稳压芯片U3，稳压芯片U3的Vin引脚接5V输入电压，同时Vin引脚与通过电容C2与稳压芯片U3的GND引脚共接接地GND。稳压芯片U3的Vout引脚向外输出3.3V电压，同时，稳压芯片U3的Vout引脚通过电容C3与GND引脚共接接地。由稳压芯片U3分别向MCU芯片U1、RS485接口芯片U5、CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4供电。

具体的，如图1、图6所示，MCU芯片U1的VBAT引脚、VDD_1引脚、VDD_2引脚、VDD_3引脚共接后与稳压芯片U3的Vout引脚连接，MCU芯片U1的NRST引脚通过电阻R2与稳压芯片U3的Vout引脚连接，以接入3.3V电压，MCU芯片U1的NRST引脚还通过电容C5接地。MCU芯片U1的BOOT0引脚通过电阻R3接地，MCU芯片U1的VSS_1引脚、VSS_2引脚、VSS_3引脚共接后接地。

同时，MCU芯片U1接入3.3V电压的引脚还连接有电容滤波电路。电容滤波电路由电容C8、C9、C10并联构成，电容C8、C9、C10并联后一端接地GND，另一端分别与MCU芯片U1接入3.3V电压的引脚连接。

同时，MCU芯片U1还连接有电感FB1、电阻R6，电感FB1、电阻R6一端通过电容C6连接，电感FB1、电阻R6另一端通过电容C7连接。电阻R6与电容C6之间引出导线接地GND，电阻R6与电容C7之间引出导线接地AGND。电感FB1、电容C6之间引出导线分别与MCU芯片U1接入3.3V电压的引脚连接，电感FB1、电容C7之间引出导线连接MCU芯片U1的VDDA引脚。

同时，如图1、图7所示，MCU芯片U1的I/O调试复用口PA13/JTMS/SWDIO引脚、PA14/JTCK/SWCLK引脚还连接有调试接口电路。调试接口电路包括具有4个针脚规格为PH2.0mm-4P的调试端口P4，调试端口P4由稳压器电路供电，调试端口P4的针脚1与稳压芯片U3的Vout引脚连接，以接入3.3V电压。调试端口P4的针脚4接地GND。

调试端口P4的针脚2与MCU芯片U1的PA13/JTMS/SWDIO引脚连接，连接线上有两路旁路线，其中一路旁路线通过电阻R4连接稳压芯片U3的Vout引脚以接入3.3V电压，另一路旁路线与一个型号为BAV99的开关二极管D1的共接端连接，开关二极管D1的阴极端接地GND、阳极端连接稳压芯片U3的Vout引脚以接入3.3V电压。

调试端口P4的针脚3与MCU芯片U1的PA14/JTCK/SWCLK引脚连接，连接线上有两路旁路线，其中一路旁路线通过电阻R5接地GND，另一路旁路线与一个型号为BAV99的开关二极管D2的共接端连接，开关二极管D2的阴极端接地GND、阳极端连接稳压芯片U3的Vout引脚以接入3.3V电压。

如图2、图6所示，稳压芯片U3的Vout引脚还与RS485接口芯片U5的VCC引脚连接，以向RS485接口芯片U5输出3.3V电压。RS485接口芯片U5的GND引脚接地GND。

RS485接口芯片U5的接收差分信号端A、发送差分信号端B之间连接有电阻R8，接收差分信号端A、电阻R8之间旁路引出导线通过电阻R7连接稳压芯片U3的Vout引脚以接入3.3V电压，发送差分信号端B、电阻R8之间旁路引出导线通过电阻R9接地。

RS485接口芯片U5的接收差分信号端A、发送差分信号端B之间还连接有二极管D5，二极管D5的导通方向为发送差分信号端B向接收差分信号端A。

接收差分信号端A、二极管D5之间旁路引出导线与一个二极管D4阳极连接，二极管D4阴极连接稳压芯片U3的Vout引脚以接入3.3V电压。发送差分信号端B、二极管D5之间旁路引出导线与一个二极管D6阴极连接，二极管D6阳极接地。

RS485接口芯片U5的VCC引脚还通过电容C12接地，由电容C12构成电容滤波电路。

如图4a、图4b、图6所示，稳压芯片U3的Vout引脚还分别与CMOS模拟开关U2的VDD引脚、CMOS模拟开关U4的VDD引脚连接，以分别向CMOS模拟开关U2、CMOS模拟开关U4输出3.3V电压。CMOS模拟开关U2的VDD引脚还通过电容C1接地，由电容C1构成电容滤波电路。CMOS模拟开关U4的VDD引脚还通过电容C4接地，由电容C4构成电容滤波电路。

本实用新型所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行的描述，并非对本实用新型构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1.可编程RS485切换器电路，其特征在于：包括MCU、RS485接口芯片、上行RS485端口、一对相同的CMOS模拟开关，多个下行RS485端口，其中：

RS485接口芯片的接收差分信号端和发送差分信号端分别对应连接上位机的RS485通讯发送端和RS485通讯接收端，RS485接口芯片的接收器输出端和发送器输入端分别对应与MCU的I/O接收复用口、I/O发送复用口连接，RS485接口芯片的接收、发送使能端分别与MCU的I/O口连接，由此实现MCU与上位机的双向通讯；

上行RS485端口具有至少两个针脚，上行RS485端口其中一个针脚连接上位机通讯数据输出、其中一个CMOS模拟开关的串行通讯端，上行RS485端口另一个针脚连接上位机通讯数据输入、另一个CMOS模拟开关的串行通讯端，由此其中一个CMOS模拟开关控制上位机通讯数据输出，另一个CMOS模拟开关控制上位机通讯数据输入；

设每个CMOS模拟开关分别具有n个选择输入端，每个CMOS模拟开关的各个选择输入端分别与MCU的I/O口连接，每个CMOS模拟开关的禁止输入端分别接地，由MCU通过自身I/O口向每个CMOS模拟开关的每个选择输入端输出高电平或低电平；

所述下行RS485端口的数量为2ⁿ，每个下行RS485端口分别具有至少两个针脚用于连接下位机，其中一个CMOS模拟开关的I/O口分别与各个下行RS485端口的其中一个针脚连接，另一个CMOS模拟开关的I/O口分别与各个下行RS485端口的另一个针脚连接，由两个CMOS模拟开关同时受控于MCU，以使上行RS485端口切换连接不同的下行RS485端口。

2.根据权利要求1所述的可编程RS485切换器电路，其特征在于：还包括可编程控制RS485端口，可编程控制RS485端口具有至少两个针脚，可编程控制RS485端口其中一个针脚连接上位机的RS485通讯发送端、RS485接口芯片的接收差分信号端，可编程控制RS485端口另一个针脚连接上位机的RS485通讯接收端、RS485接口芯片的发送差分信号端。

3.根据权利要求1所述的可编程RS485切换器电路，其特征在于：还包括稳压器电路，稳压器电路电源输入端外接电源，稳压器电路电源输出端分别供电连接至MCU、RS485接口芯片、各个CMOS模拟开关的电源输入端。

4.根据权利要求1或3所述的可编程RS485切换器电路，其特征在于：所述MCU、RS485接口芯片、各个CMOS模拟开关的电源输入端还分别连接有电容滤波电路。

5.根据权利要求1所述的可编程RS485切换器电路，其特征在于：MCU的I/O调试复用口连接有调试接口电路。

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