隨著計算機在工業(yè)的廣泛應用,，控制局域網(wǎng)絡也深入應用到各行各業(yè)之中?，F(xiàn)行的諸多控制系統(tǒng),，若采用單機控制方式已越來越難以滿足設備控制的要求，因為往往我們所控制的設備只是整個系統(tǒng)的一個基本單元,，它既需要外部輸入一些必要的信息,，同時，也需要向外部輸出自身的運行參數(shù)和狀態(tài),。所有這些,，都要求我們采用控制網(wǎng)絡技術，將眾多設備有機地連成一體,，以保證整個系統(tǒng)安全可靠地運行,。
　　目前，在我國應用的現(xiàn)場總線中,，RS－485/RS－422使用最為普遍,。當用戶要將基于標準的RS－232接口設備，如PC機,，連接至由RS－485/RS－422構成的通訊網(wǎng)絡時,，則必須作RS－232和RS－485/RS－422之間的電平轉換。傳統(tǒng)的做法是在設備內(nèi)擴展一個通訊適配卡,，由通訊適配卡實現(xiàn)電平轉換,，內(nèi)部主機再通過并行總線讀出或寫入數(shù)據(jù)。顯然,，這種設計方法存在下列缺點：
　　· 由于適配卡是基于某一種總線標準擴展的,，而不是基于RS－232電平標準，所以其應用范圍受到限制,，只能一種適配卡適用一種總線(如ISA適配卡不可能插入STD總線或用戶自定義的總線),，其通用性較差；
　　· 雖然實現(xiàn)的僅僅是電平轉換,，但是由于需要考慮與擴展總線的接口和增加一個標準的UART,，并且需要占用系統(tǒng)的其它寶貴資源，使硬件和軟件變得過于復雜,；
　　· 復雜的硬件設計大大增加了元器件的數(shù)目和電路板面，使適配卡的成本過高,；
　　· 由于采用內(nèi)置插卡方式,，使變更通信方式比較麻煩，如將半雙工通信方式設置為全雙工方式等,。另外,，維修和測試也比較麻煩；
　　· 對于現(xiàn)有的基于RS－232的設備,，在無法變動系統(tǒng)軟件和硬件的情況下,，顯然適配卡無法將這些設備連成基于RS－485或RS－422通信網(wǎng)絡的分布式系統(tǒng),。
　　為了克服上述缺點，同時考慮到RS－232接口的自身特點,，我們設計了一種小巧的,、無須外部供電的智能收發(fā)轉換器，實現(xiàn)RS－232和RS－485/RS－422之間的電平轉換,。
1 功能描述及結構框圖
　　本智能轉換器作為一個獨立的電平轉換控制器,，涉及線上取電、發(fā)送和接收狀態(tài)的智能切換,、通信方式設置,、RS－232電平與RS－485/RS－422電平之間的轉換等方面。具體描述如下：
　　· 從RS－232接口上取電
　　由于不采用外部供電方式,，則必須從RS－232接口線取電,，為內(nèi)部元器件供電。我們知道,，標準的RS－232接口定義中,，TXD、RTS和DTR是RS－232電平輸出,。設計一個DC－DC轉換器,，從這些信號上，能夠為系統(tǒng)提供一定的電源功率,。
　　· 低功耗微處理器
　　微處理器通過監(jiān)測TXD信號的變化,，決定是否允許數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。另外,，有關通信方式,、波特率和半/雙工工作方式選擇也是通過TXD信號，或I/O口來設定的,。
　　· RS－232電平與TTL電平之間的轉換
　　· RS－485/RS－422電平與TTL電平之間的轉換
　　其內(nèi)部電路結構示意圖如圖1所示,。

2 工作原理
　　該智能轉換器必須解決兩個關鍵問題，即如何從RS－232線上獲得電源和RS－485/RS－422接口驅動所需的功率,，和如何智能控制RS－485/RS－422的收發(fā)使能,。
2.1 電源方案
　　標準的RS－232定義中，有三個發(fā)送信號：TXD,，RTS和DTR,。每根線上的典型輸出電流為±8mA/±12V，考慮到TXD為負電平(處于停止發(fā)送,，或發(fā)送數(shù)字“1”時)的時間較多,，因而電源轉換決定采用負電源輸入，以最大限度地增加電源輸入功率，升壓至所需的工作電源,。從RTS和DTR上輸入功率＝2×8×12mW＝192mW,。另外，由于通訊為間歇工作方式,，所以輸入電源端的儲能電容和TXD(為負電平時)能夠補充一定的功率,。假設，我們設計一個效率為85%,、輸出電壓為3V的DC－DC轉換器,，則輸出電流可達54.4mA。
2.2 智能控制收發(fā)使能
　　RS－232通訊接口采用電平方式傳輸,，適用于點－點通訊,，無須專門的收發(fā)使能控制；而對于RS－485/RS－422通訊接口則不同,，由于采用差分電平方式傳輸,，且允許在一條通訊總線上掛接多個節(jié)點，必然要求各個節(jié)點能夠獨立地控制總線驅動器關斷或打開,，保證不會影響到其它節(jié)點的正常通訊,。為了簡化與轉換器RS－232接口端相連的軟件工作，更重要的是為了提高本轉換器的通用性和靈活性(即插即用,，無須要求用戶更改任何相關軟件和硬件),，本轉換器內(nèi)置微處理器，實現(xiàn)收發(fā)使能的智能控制,。具體方法：微處理器在檢測到UART的通信起始位后,，打開發(fā)送使能，允許串行數(shù)據(jù)發(fā)送至RS－485/RS－422通訊網(wǎng)絡,。微處理器根據(jù)所設定的波特率延時至UART停止位發(fā)送一半時(例如11位格式時,，延時10.5T,T＝1/f_BAUD),開始檢測是否有下一個起始位到來。在時間T內(nèi),，若有下一個起始位到來,，則保持發(fā)送狀態(tài)，否則將關閉發(fā)送使能,，結束數(shù)據(jù)發(fā)送,。
3 硬件設計
　　由于本轉換器供電來自RS－232信號線，其輸入功率受到限制,，因而在本設計中將盡可能地采用+3V供電的低功耗器件,，保證總電流小于54.4mA。主要包括4個部分：DC－DC轉換器,、RS－232接口、RS－485/RS－422接口和微處理器。分別介紹如下：
3.1 DC－DC轉換器
　　顯然,，還沒有一個DC－DC轉換器能夠直接實現(xiàn)－12V輸入,，+3V輸出的IC。但是,，如果我們利用現(xiàn)有的IC,，稍作改動，即可實現(xiàn)該功能,。圖2所示的DC－DC轉換電路,，就是利用MAX761實現(xiàn)的－12V輸入，+3V輸出,、效率高于85%的升壓DC－DC轉換器,。該轉換器實際輸入電壓范圍為－2.5～－13.5V，靜態(tài)工作電流僅I₁＝120μA,，具有輸出電流大于54.4mA的能力(如果前端輸入功率未受到限制,，則輸出電流可達300mA以上)。由于MAX761采用高效率的PFM控制方式,而且在本電路中,開關損耗較小(因為開關電流小于負載電流),所以能夠達到比MAX761典型應用更高的效率(MAX761典型應用效率為86%),。輸出電壓由下列方程確定：
　　V_OUT＝V_REF×R1/R2+0.7(V),，其中V_REF＝1.5V
　　選取R2＝100kΩ，根據(jù)所需要的輸出電壓,，計算R1,。

3.2 RS－232接口
　　本轉換器只需要一片單發(fā)/單收RS－232接口就可以滿足要求，但必須要求+3V單電源工作,、工作電流盡可能地小的接口電路,。MAX3221/MAX3221E(帶±15kVESD保護)剛好能夠滿足上述要求，具有1TX/1RX,，其工作電壓+3～+5.5V,僅1μA的靜態(tài)電流,，負載電流小于I₂＝2mA。
3.3 RS－485/RS－422接口
　　為兼顧RS－485/RS－422接口中半雙工和全雙工的要求,，本轉換器采用MAX3491作為RS－485/RS－422接口電路,，其主要指標為：+3～+3.6V單電源工作、工作電流1mA,驅動60Ω負載時(半雙工時,，兩個120Ω終端匹配電阻的并聯(lián)值),，峰值電流可達I₃＝3V/60Ω＝50mA。半雙工和全雙工工作方式是通過跳線器來設置的,，見圖3,。
3.4 微處理器
　　在本轉換器中，微處理器所要完成的任務很簡單,，僅需要幾根I/O線即可實現(xiàn)參數(shù)的設置和發(fā)送使能的自動控制,。實際選擇中，采用Microchip公司的PIC12C508A，其主要指標為：工作電流I₄＜1.0mA(工作電壓3V,，頻率4MHz),6條I/O線,，512kByte的ROM。其中,，GP0,、GP1、GP4和GP5四個引腳設定對應于16種常用波特率(300,、600,、1200至38.4Kbps等8種，以及900,、1800至115.4Kbps等8種)的延時時間,；GP3對應于10位或11位串行數(shù)據(jù)格式；GP2為TXD輸入,，用來檢測UART何時發(fā)送和停止數(shù)據(jù),；GP1為復用輸出引腳，用來控制MAX3491的發(fā)送使能控制端,；GP0也為復用輸出引腳,，用來控制MAX3491的接收使能。詳見圖3,。