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基于可編程邏輯陣列的RS232至RS422的串行口擴展電路
摘要：介紹了利用可編程邏輯陣列把１路RS232擴展至４路RS422的串行口電路設計方法。該擴展電路不占用PC系統資源，同時具有結構簡單，使用方便，通用性和可補性強等特點，可廣泛應用于主從式多機通訊系統中。關鍵詞：串行通訊；數據采集；集散控制；RC232；RS422
由于ＲＳ－４２２總線具有抗干擾能力強、通訊速率高、通訊距離遠、可以與多臺從機通訊等特點，所以，該總線在數據采集、監控管理及集散控制系統的主從式多機通訊系統中得到普遍應用。但是，若在一條ＲＳ－４２２ 通訊總線上連接過多的從機，則有可能會由于總線負擔過重，而使系統可靠性變差，有時甚至會導致整個系統無法正常工作。
為了解決ＲＳ４２２總線在實際應用中可能出現的問題，筆者設計出一種以可編程邏輯陣列ＧＡＬ１６Ｖ８為核心的串行口擴展電路。它可將微機的一路ＲＳ２３２串行口擴展至４路ＲＳ－４２２串行口。該電路通過主機軟件對ＤＴＲ、ＲＴＳ控制信號的編程，可以和任選通訊接口的從機進行數據通訊；也可以不用ＤＴＲ、ＲＴＳ控制信號，而直接實現主機與全部通訊接口的從機之間的數據通訊，同時可在不改變原來軟件的情況下，做到即插即用。
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本電路采用ＤＣ－ＤＣ隔離電源供電，主機與通訊接口之間采用高速光耦來實現光電隔離，從而增強了主機系統的抗干擾能力。此外，該擴展電路還具有不占用系統資源、結構簡單、使用方便、通用性強和性能可靠等特點，因此，可廣泛應用于全雙工通訊方式的主從式多機通訊系統。
在實際的煤氣泄漏巡檢系統中，筆者用該擴展電路組成的主從式多機通訊網絡，實現了主機與４０多臺數據采集裝置之間的數據通訊，而且保證了通訊性能的穩定可靠。
１ 電路的整體結構
圖１所示是這種ＲＳ－４２２串行口擴展電路的結構框圖。整個擴展電路分為４個部分，其中，第一部分是ＤＣ－ＤＣ隔離電源。為了提高整個系統的抗干擾能力，本電路采用隔離電源來進行供電。第二部分是ＲＳ－２３２接口電路，用于實現各信號的ＲＳ－２３２電平與ＴＴＬ電平的轉換；第三部分是ＲＳ４８５／ＲＳ４２２接口電路，主要實現各信號的ＲＳ４８５／ＲＳ４２２電平與ＴＴＬ電平的轉換；第四部分是以可編程邏輯陣列ＧＡＬ１６Ｖ８ 為核心的譯碼控制電路，主要用于實現對通訊接口的切換。
２ 電路工作原理
２．１ ＤＣ－ＤＣ隔離電源
為了提高整個系統的抗干擾能力，本電路采用隔離電源供電。ＤＣ－ＤＣ隔離電源的工作原理如圖２所示。電路中的ＭＡＸ７６１ ＤＣ－ＤＣ轉換芯片是采用ＰＦＭ（脈沖調頻方式）方式來工作的，最高調制頻率為３００ｋＨｚ。該芯片內部含有誤差放大器、頻率調制器和功率驅動管。ＭＡＸ７６１只需少數幾個外圍元件即可組成ＤＣ－ＤＣ電源轉換電路。而電路中的ＬＴ４３１芯片則是集電極開路的誤差放大器，它內含２．５Ｖ基準源。
該ＤＣ－ＤＣ隔離電源主要通過調節輸出脈沖的頻率（調節脈沖的間歇時間）來使輸出電壓保持穩定。其穩壓過程的原理為：
當輸出電壓下降時，Ｒ４電壓、誤差、ＬＴ４３１輸出、光耦輸出電流、Ｒ１電壓均隨之降低。當Ｒ１電壓小于１．５Ｖ基準電壓時，在調制脈沖的正半周期，ＬＸ端輸出低電平? 脈沖變壓器初極電流線性增大，Ｄ１反偏截止，此時次極無電流，脈沖變壓器開始儲存能量；而在調制脈沖的負半周，ＬＸ端輸出高電平，脈沖變壓器釋放能量，感應電壓經Ｄ１（正向導通）輸出使輸出電壓上升。從而使輸出電壓保持穩定。
實際上，當輸出電壓升高時，Ｒ４電阻上的電壓和誤差、ＬＴ４３１輸出到光耦的輸出電流、以及Ｒ１上的電壓均隨之升高，當Ｒ１電壓大于１．５Ｖ基準電壓時，在調制脈沖的負半周，ＬＸ端輸出高電平，脈沖變壓器不產生電壓。而此時負載消耗將使輸出電壓下降。從而使輸出電壓保持穩定。
２．２ ＲＳ－２３２接口電路
串行口擴展電路的電路連接如圖３所示。圖中的ＭＡＸ２３８ 接口芯片含有４路ＲＳ－２３２接口電路，其中一路用于ＲＸＤ、ＴＸＤ通訊信號的電平轉換，另外兩路用于ＤＴＲ、ＲＴＳ信號的電平轉換。通過主機軟件可設置ＤＴＲ、ＲＴＳ的狀態以選擇通訊接口，從而實現主機與連接在此通訊接口上的從機之間的數據通訊。
圖3
２．３ ＲＳ４２２／ＲＳ４８５接口電路
ＲＳ４２２／ＲＳ４８５接口電路由４片（Ｕ３～Ｕ６）ＭＡＸ４８９芯片組成。ＭＡＸ４８９芯片內部含有一組接收、發送電平轉換電路。該芯片是全雙工通訊方式的ＲＳ４２２接口芯片， 芯片上的ＲＥ使能端（低有效）用于控制數據的接收，ＤＥ 使能端（高有效）則控制數據的發送。為便于通訊系統的調試，可以在接收端、發送端和各路發送使能端分別安裝一個發光管以觀察各路的通訊狀態。
２．４ 譯碼控制電路
電路中的Ｕ１（ＧＡＬ１６Ｖ８）是可編程的邏輯陣列，利用該芯片并通過編程可實現譯碼控制。將主機發出的通訊口選擇信號ＤＴＲ、ＲＴＳ由ＩＮ５、ＩＮ６輸入到Ｕ１，同時將設置開關Ｋ１由ＩＮ１接入Ｕ１?這樣，當Ｋ１、ＤＴＲ和ＲＴＳ經譯碼后，即可由ＯＵＴ１～ＯＵＴ５輸出到Ｕ３～Ｕ６的發送使能端，以分別控制４個通訊口的數據發送器，從而完成主機向所選擇通訊總線的數據發送；此外，經ＯＵＴ５～ＯＵＴ８輸出到Ｕ３～Ｕ６的接收使能端，則可分別控制４個通訊口的數據接收器，以最終使主機通過通訊總線完成從機數據的接收功能。其通訊端口的選擇如表１所列。
表1 通訊端口選擇表
３ 結束語
該電路中的全部芯片均選用＋５Ｖ單電源供電，因而電路結構十分簡單。另外，電路采用ＤＣ－ＤＣ隔離電源供電，且主機與通訊接口之間采用高速光耦進行光電隔離，也增強了主機系統的抗干擾能力。該電路同時具有不占用系統資源、結構簡單、使用方便、通用性強和性能可靠等特點?可廣泛應用于雙全工通訊方式的主從式多機通訊系統。
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