利用電流環(huán)同RS-232解決長距離串行通信系統(tǒng)的方案介紹

1 引言

個人計算機上的通訊接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會（Electronic Industries Association，EIA） 所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。通常 RS-232 接口以9個引腳 （DB-9） 或是25個引腳 （DB-25） 的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機上會有兩組 RS-232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2。

串行通信是指 使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別使用于計算機與計算機、計算機與外設(shè)之間的遠距離通信。

在通信領(lǐng)域內(nèi)，有兩種數(shù)據(jù)通信方式：并行通信和串行通信。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)化和微機分級分布式應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，通信的功能越來越重要。通信是指計算機與外界的信息傳輸，既包括計算機與計算機之間的傳輸，也包括計算機與外部設(shè)備，如終端、打印機和磁盤等設(shè)備之間的傳輸。

串行通信是指 使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別使用于計算機與計算機、計算機與外設(shè)之間的遠距離通信。

串行通信是指計算機主機與外設(shè)之間以及主機系統(tǒng)與主機系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的串行傳送。使用串口通信時，發(fā)送和接收到的每一個字符實際上都是一次一位的傳送的，每一位為1或者為0。

RS-232串行通信是早期為促進公共電話網(wǎng)絡(luò)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，是目前異步通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線，適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間的接口。圖1所示為RS-232串行通信的簡單示意圖。然而，由于發(fā)送器（TXD）和接收器（RXD）之間具有公共信號地（GND），因此不能使用雙端信號，這樣可能會使共模噪聲耦合到信號系統(tǒng)中。因此，設(shè)計者不得不使用較高傳輸電壓進行傳輸，另外，這種傳輸方式的信號傳輸速度最高為20kB/s，最長距離僅為15m。顯然這樣的傳輸速度和距離已不能適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信的要求，為了使許多自身帶有RS-232通信接口的設(shè)備能夠在盡量降低硬件成本和減輕軟件工作量的情況下實現(xiàn)長距離串行通信，開發(fā)了一種利用電流環(huán)同RS-232進行接口來實現(xiàn)具有光電隔離功能的長距離串行通信系統(tǒng)。

2 20mA電流環(huán)數(shù)據(jù)傳送信號原理

20mA電流環(huán)路串行接口也是一種應(yīng)用較廣的接口電路，其串行通信接口電路如圖2所示，由于其沒有形成正式標(biāo)準(zhǔn)，因此一般計算機的數(shù)據(jù)傳送設(shè)備不具有這種接口。但其接口電路簡單，發(fā)送正、發(fā)送負、接收正、接收負四根線分別組成了輸入電流回路和輸出電流回路。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，根據(jù)數(shù)據(jù)的邏輯1和邏輯0來有規(guī)律的使回路形成通、斷狀態(tài)（圖2中用開關(guān)示意電流的有無）。電流環(huán)串行通信接口的最大優(yōu)點是低阻抗傳輸線對電氣噪聲不敏感，而且易實現(xiàn)光電隔離，且傳輸距離很長。

3 電路環(huán)路同RS-232串行通信電路的接口

結(jié)合電流環(huán)傳輸?shù)纳鲜鎏攸c，在充分利用設(shè)備自身配有的RS-232串行通信口的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計了如圖3所示的將RS-232信號轉(zhuǎn)換成電流環(huán)來進行信號傳輸?shù)慕涌陔娐贰D3中ICL232芯片用于完成RS-232接口信號同TTL電平信號間的調(diào)整，RS-232總線的發(fā)送端（TXD）信號經(jīng)ICL232芯片轉(zhuǎn)換成TTL電平信號后，經(jīng)光耦（4N25），由芯片SN75452進行電流驅(qū)動。在傳輸線上，以電流有無的方式傳輸數(shù)字信號。同理，在接收端，電流信號經(jīng)光耦及反向器整形，在形成TTL電平信號后，由ICL232芯片調(diào)理，然后將產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)RS-232電平信號送到RS-232串行通信的接收端（RXD），以完成串行通信的發(fā)送和接收。由圖3可知，電流環(huán)的傳送和接收是對地隔離的，即使傳輸線上受到強干擾，通信兩端帶有的標(biāo)準(zhǔn)RS-232通訊接口設(shè)備也不會受到影響，從而起到了通信線路同設(shè)備及設(shè)備之間的隔離，保證了設(shè)備的安全。采用這種方式傳送信號不但傳輸距離遠（在9.6kB/s的速度下，傳輸距離可達1km以上），而且抗干擾能力極強，即使在環(huán)境非常惡劣的條件下，也能保證通信的正常運行。

4 應(yīng)用實例

在某五星級賓館的污水處理監(jiān)視系統(tǒng)中，將圖3中傳輸長線兩端的電路分別做成兩塊電路板，一塊置于計算機端，將計算機串行口信號轉(zhuǎn)換成電流環(huán)信號發(fā)送出去或?qū)㈦娏餍盘栟D(zhuǎn)換成RS-232電平信號進行信息接收；另一塊置于可編程控制器（PLC）端，用于將電流信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS-232信號送到PLC的串行口上或?qū)LC串口發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換成電流，并通過電流回路發(fā)送出去，以實現(xiàn)計算機同PLC間的串行通訊，其系統(tǒng)工作圖如圖4所示。該方案的采用不但克服了單純使用RS-232串行通訊時的通導(dǎo)誤碼較多，以及在大功率電泵啟動或出現(xiàn)雷電天氣時通訊完全失敗等現(xiàn)象的發(fā)生，同時避免了PLC及計算機的串行口經(jīng)常損環(huán)等問題，從而實現(xiàn)了隔離和長距離通訊的雙重功能。同時這種方法軟件編程簡單（同RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口一樣），硬件成本很低（僅需要增加150元左右）。同目前解決長距離串行通信采用的RS-422總線相比，其性能價格比提高了數(shù)十倍甚至更多。目前，筆者設(shè)計此通訊接口已連續(xù)運行兩年，沒有出現(xiàn)任何問題。

采用圖3所示方案的電路結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)原理比較簡單，同其它類型的串行通信總線如RS-422、RS-423、RS-449相比，該方案具有成本低（可借助設(shè)備原有的RS-232接口）、接口簡單、軟件支持性好，編程簡單，通用性及實用性強等優(yōu)點，尤其在通信工程應(yīng)用領(lǐng)域中具有很高的實用價值。