串行通信RS232/RS485转换器

1 引言

以单片机为主体构成的分布式数据采集和控制系统，以附加电路结构简单、工作稳定可靠而被广泛应用在工业控制系统中。目前广泛使用的单片机产品（如Intel的8031、Armel的89C51、 GMS97C51等系列单片机）芯片中都集成了串行通信接口。使用这些串行通信接口和RS485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，从而将多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。这种RS485网络结构具有接口简单、灵活性好、价格低、易于控制等优点，可广泛应用于工业控制系统中。

目前，在很多的分布式数据采集和控制系统中，为了克服单片机的功能不足，都引入了PC机，并采用主从式结构模式，即以PC机为主机，分布在现场的各个单片机系统为从机而组成的系统结构，其结构如图1所示。

一般的PC机串行口为标准RS232口，根据标准规定：RS232 采用负逻辑，即：逻辑"1"为-5V～-15V，逻辑"0"为+5V～+15V；另外，驱动器最大只允许有2500pF的电容负载，且通信距离受此电容限制。因此，150pF/m的通信电缆的最大通信距离为15m，若每米电缆的电容量有所减少，则通信距离即可增长。RS232传输距离较短的另一原因是其属于单端信号传送，这种传送存在共地噪声且不能抑制共模干扰，因此，RS232一般用于20m以内的通信。

而对于大多数分布式控制系统来说，其通信距离一般为几十米到几千米不等，显然，RS232接口不能满足此类系统的要求，目前广泛采用的是RS485收发器。 RS485收发器采用的平衡发送和差分接收具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有很高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，因此，传输信号可在千米以外得到恢复。


在这种分布式控制系统中，通信是系统的关键，也是系统设计时首先要考虑的问题。如何有效、可靠的实现RS232与RS485之间的转换是实现系统通信的前提。

目前，介绍电平转换器的文献较多，比如：RS232与TTL之间的转换、RS485与TTL之间的转换、TS422与RS485之间的转换等等，而对 RS232与RS485直接转换的电路则介绍的很少。目前，电子产品市场上已有现成的RS232/RS485转换器销售，但性价比很低，本文介绍一种低价格、带光电隔离、简单可靠且实用的RS232/RS485转换器，以及新的一种TTL与RS485之间的转换芯片。

2 SN75LBC184芯片介绍

SN75LBC184是美国TI公司生产的一种RS485接口芯片，它使用单一电源Vcc，电压在3.0～5.5V范围内均能正常工作，可以完成TTL与RS485之间转换。其引脚图如图2所示。


该芯片与普通的RS-485收发器相比有一个显著的特点，那就是片内A、B引脚接有高能量瞬变干扰保护装置（如图3所示），可以承受峰值为400W（典型值）的过压瞬变。由于引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电、电源系统开关干扰等，因而它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对于一些环境比较恶劣的场合，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，即当输入端开路时，其输出为高电平，这样，即使在接收器输入端电缆有开路故障时，也不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍（≥24kΩ），故可在总线上连接64个收发器。其工人原理如图4所示。其中：图4（a）表示在C=1时，发送使能端DE为高电平，接收使能端RE为低电平，SN75LBC184作为发送器；而图4（b）则表示C=0时，接收使能RE为高电平，发送使能端DE为低电平，SN75LBC184作为接收器。
3 RS232/RS485的转换电路设计

目前，大部分PC机的通信端口为9芯D型插头，在实际使用PC机进行串行通信时， 通常只使用其中的RTS、RXD、TXD与GND四个端口，以构成简易的四线通信线路。笔者采用这种方案巧妙地利用光电耦合器的隔离特性和RS232工作时RTS线与TXD线之间的电平关系，给出了简单、可靠的电路设计。具体转换电路如图5所示。

该电路使用了三片光电耦合器TLP521-1进行隔离，这使PC机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，从而提高了工作的可靠性。

当RS232的RTS端为逻辑电平1(-12V)时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出端为TTL逻辑电平1（+5V），此时选中RS485的DE端允许RS485接收，这样，RS232 的TXD端就可以发送数据（工作逻辑与RTS端相似）。当RS232的RTS端为逻辑电平0（+12V）时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出端为TTL逻辑电平0(0V)，此时选中RS485的RE端允许RS485发送。当RS485的R端的输出为逻辑电平1时，光电耦合器发光二极管不发光，光敏三极管不导通，这样，在RS232输出停止时，其TXD电平为-12V，电容被充电到-12V以使其输出也变成-12V，即逻辑电平1；当其输出为逻辑电平0时，光电耦合器发光二极管发光，光敏三极管导通，这时，其输出为+5V，也在RS232逻辑电平0的范围之内，即为逻辑电平0。