RS-232/RS-485无源转换电路设计

RS-232、RS-485都是串行数据接口标准。由于它们的接口电路简单，通用性比较好，所以在控制领域有着广泛的应用。RS-232和RS-485有着各自的优缺点：RS-232是低速率串行单端标准，采取不平衡传输方式(即所谓单端通信)，收、发端的数据信号是相对于信号地的电平而言，其共模抑制能力差，传送距离短，其为点对点的通信方式；RS-485采用平衡传输方式，可以实现多点通信，由于采用了有别于RS-232电平方式的差分方式，使得在通信速率、抗干扰和传输距离方面都有较大的改善。但由于现用的工控PC机大多都只直接提供RS-232接口，所以为了实现RS-485与监控系统的接口，往往需要另加转换接口，从而使得网络构成相对比较复杂，使用也不方便。为了克服使用上的不便，本文设计了一种RS-232/RS-485通用接口。为了克服以往在单端情况下只能232或485不能同时接口的局限，本文利用Maxim公司的ICL7662芯片设计一种通用接口。下面就ICL7662芯片及电路原理作全面地介绍。
1 ICL7662电压转换器
　　ICL7662是由美国Maxim 公司提供的一种CMOS电压转换器，主要特性为：
◆ 转换电压为4.5V～20V到-4.5V～-20V;
◆ 转换效率高达99.7％；
◆ 外围电路简单，最小只需两个储能电容。
　　引脚说明如表1所列。
　　　　

2 ICL7662电压转换器工作原理
　　ICL7662原理性图解如图1所示。
　　　　　　　　　

　　在ICL7662工作周期的前半个周期，S1和S3闭合，S2和S4断开，C1由输入电压充电到VIN。在接下来的后半个周期， S1和S3断开，S2和S4闭合。在电路电阻非常小的情况下，就会由C1放电在C2上，在C2两端形成-VIN。根据该芯片的工作原理，本文做了大量的试验，如果在C2两端加上-VIN，根据同样的原理，会在C1上形成相当于VIN的电压。根据此特性非常有利于从信号端“窃取”电源，即不管是在正电源端还是负电源端，只要某一端有足够的电平，芯片就会高效地完成“窃电”。本文就针对这一特性设计了无源的RS-232/RS-485转换电路，如图2所示。

注: ①本原理图为通用方式的RS485接口原理，2个TVP用于ESD防护，外加2个自复位
保险丝PCT;
②下半部分用于无源RS232→RS485的转换电路，保证两端同时可用，但在系统中只
能有一端为主，且RS232应为标准232口，232口发送数据在485口可见。
3 通用硬件设计说明
　　本文设计的接口电路主要是针对工业现场控制终端，由于各种控制要求不同，所以对控制终端的配置各异。但总体要求是某一终端故障不应影响系统其余部分的功能，要便于终端与监控系统之间的接口。所以，本文设计中对于RS-485与RS-232的转换采用了无源的转换方式，而非常规的RS-232与RS-485标准转换，既便是与PC相连的终端单元掉电，也不会影响系统中其它单元的正常通信。
　　图2为接口电路的原理图。在图中的上半部分用美国Maxim公司的485芯片MAX487构成标准RS-485接口电路，其中2片P133为快速光电耦合器，用于把控制内核部分与网络隔离开，控制端口用相对廉价一点的TPL521隔离。TVS1和TVS2为瞬态电压抑制二极管，用以对网络上的高压噪音干扰进行吸收，保护接口芯片MAX487免予损坏。PCT1和PCT2为自复位保险丝，在网络过流的情况下起保护作用。在网络过流时进入高阻限流状态，在网络恢复正常的情况下，又恢复到正常零电阻的工作状态下。R7为可选终端匹配电阻。该接口电路简单、可靠。
　　图2的下半部分为本文的重点部分，完成RS-232与RS-485标准之间的无源转换。该部分的核心为Maxim公司的负电源转换芯片ICL7662。电路的工作电源来自于RS-232的发送信号线PTXD，由电荷泵ICL7662进行正负电源转换，能量存储于储能电容C1、C2、C3中，作为本部分电路的工作电源。根据EIA的标准，RS-232在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5V~+15V(逻辑0)，负电平在-5V~-15V(逻辑1)，接收器的典型电平在+3~+12V与-3~-12V(见参考文献[1])之间，RS-485的接收门限为+/-200mv(见参考文献[2])。由MAX487完成RS-232与RS-485标准之间的转换，电路自动完成收发控制的转换。本部分对控制内核来讲处于无源工作状态下，不受所在终端工作状态的影响，自动完成收、发状态控制，避免网络“死锁”。当电路所在的节点不接RS-232时，本部分电路不工作，使得系统的功耗最小。当节点通过RS-232与系统通信时，监控系统的数据首先转换到RS-485网上，节点数据先经过本节点转换电路转换到RS-232的电平状态，然后与监控系统通信。
4 总 结
　　通过大量的工程实践证明，该电路简单可靠，经济实用，克服了有些电路在电源采集信号端长期处于某一电平时，电路电源中断的弊端。同时根据RS-485半双工总线的特性，本文巧妙地实现了RS-485在收发之间的自动转换，避免了由于操作不当造成的总线“死锁”现象。实践证明，不管是与信号电平相对较低的便携式电脑接口还是与台式机接口，本电路都能可靠工作，在通信速率300b/s~19200b/s范围内，长期运行未发现通信有任何异常现象。