基于AVR单片机的串行接口智能转换器

由于RS-422、RS-485总线具有抗干扰能力强、通讯速率高、通讯距离远、可以与多台从机通讯等特点，所以在主从式多机通讯中，得到普遍应用。

我们设计开发了一种以AT90S2343低功耗单片机为核心的外插式串行口智能转换器，它把RS232串行口转换至RS-422或RS-485串行口。它无须外部供电、并能自动识别通讯波特率（1200－115.2K）和通讯方式（8位、9位方式），智能控制接收和发送电路与通讯总线的连接、在不改变现有软件情况下，做到即插即用。

该转换器且通用性强、性能可靠、结构简单、使用方便的特点。可广泛应用于数据采集、监控管理及集散控制的通讯系统中。笔者在电气设备的绝缘在线监测系统中，应用该转换器实现对多台数据采集装置的数据通讯，通讯性能稳定可靠。

1、电路的整体结构

智能转换器的电路结框图如图1所示，整个电路由4个部分组成。第一部分是DC-DC电源变换电路。它从PC机串行口的信号线上窃取电能，将其转换成供智能转换器使用的电源；第二部分是RS-232接口电路，它实现各信号的RS-232电平与TTL电平的转换；第三部分是RS485/RS422接口电路，它实现通讯总线的RS485/RS422电平与TTL电平之间的转换；第四部分是以CPU为核心的智能控制电路，它通过监测PC机的TXD发送信号，识别通信的波特率、通讯方式（10/11位方式）、智能控制通讯数据的发送和接收。

当转换器用作RS485半双工通讯方式时，须将发送器输出和接收器输入的同相、反相端分别用两个跳线短接。

2  电路工作原理

2.1  DC-DC电源变换电路

由于RS232接口不提供电源，全部电路的供电只能从RS-232信号线中获取。RS-232接口有DTR、RTS和TXD三个输出信号，每个信号可提供输出电流的典型值为±8mA。通用软件不使用握手信号RTS和DTR，它们输出为－12V。TXD信号在不发送数据和发送数据“1”的时，也输出为－12V。为了增加电源转换电路的输出功率，电路中把DTR、RTS和TXD三个信号的－12V输出作为电源变换电路的电源输入。

由于没有负电压输入转换到稳定正电压输出的DC－DC转换器，笔者在通用DC－DC转换电路的基础上，用IC芯片MAX761研制出具有输入－12V电压、＋5V稳压输出的 DC－DC转换电路，转换效率＞85％。具体的电路如图２所示。电路中MAX761是PFM（脉冲调频方式）的DC-DC转换控制器。最高调制频率为300KHZ。LX是功率驱动管（场效应管）的漏极输出端；REF是基准电压输出端；LB是电压采样输入端。MAX761控制器和电感L构成自举升压电路，输出电压采样网络由稳压管W1、晶体管T、和电阻R1、R2组成。采样电压经LB输入控制器，通过改变调制脉冲的频率来稳定输出电压。电路的稳压工作原理如下：    

输出电压VOUT降低时，三极管T1的基极电流IEB减小，LB端的取样电压UR1（βIEB×R1×）减小，当LB的取样电压（UR1）＜片内基准电压时，控制信号以最高调制频率的来控制功率驱动管的开通与截止，当功率驱动管导通时，LX等于－12V，二极管D4处于截止状态，电流经电感L流向LX，此时电感L储存能量。当功率驱动管截止时，电感L释放能量，反电动势产生的电流经二极管D4向电容C4充电，从而使输出电压VOUT升高。

输出电压VOUT升高时，三极管T1的基极电流IEB增大，LB端的取样电压UR1（βIEB×R1×）增大，当LB的取样电压（UR1）≥片内基准电压时，控制信号控制功率驱动管在一个完整调制的周期内处于截止状态，由负载消耗使输出电压VOUT下降。             

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通过以上的脉冲调频方式的自举升压调节，使输出电压稳定在＋5V。

输出电压由下式确定：
VOUT＝Vw1+Veb+Ib×R2≈Vw1+Veb ≈ 5 V

2.2 单片机智能控制工作原理RS485通讯方式是软件通过收、发使能信号来控制数据的分时接收与发送，使用同一对差分通讯总线实现双向数据通讯的半双工通讯方式，而RS232通讯接口不能提供这样的使能控制信号。但可以通过单片机对主机PC-TXD信号的监测，准确计算出传送一帧数据的时间，智能产生收、发使能信号控制数据的分时接收与发送，实现数据的半双工通讯。以AT90S2343低功耗单片机为核心的串行口智能转换器的具体电路如图3所示。

单片机对传送一帧数据的时间的识别方法如下：当单片机监测到主机发送数据的起始位时，开始测量PC－TXD信号的每个脉冲的脉冲宽度，计算出对应的波特率，若均属于通用波特率集合，它们中的最高波特率即是通讯波特率。否则，该脉冲宽度是发送两帧数据的间隔时间，电平负跃变的时刻是起始位的开始时刻，开始重新测量每个脉冲的脉冲宽度。当通讯波特率确定后，检测第十位的电平状态，若是低电平，则可确定是11位通讯方式。否则是10位通讯方式。由通讯波特率和通讯方式计算出传送一帧数据的时间。

通讯接口接收、发送数据的智能控制过程如下：每当监测到主机发送数据的起始位时，单片机输出收、发使能信号（RE=1、DE=1），控制收、发电路禁止接收、允许发送数据，主机数据发送到RS485通讯总线上，同时定时器开始计时。当计时时间等于发送一帧数据的时间时，单片机输出收、发使能信号（RE=0、DE=0），控制收、发电路允许接收、禁止发送数据。此时，主机可以接收RS485通讯总线上的从机数据。当单片机又监测到主机发送数据的起始位时，重复上述的发送过程。

在通讯过程中，波特率测量和收、发数据智能控制必须同步进行，否则就会造成通讯数据的丢失。

为适应高速通讯的要求，电路中采用美国Atmel 公司的AT90SL2343单片机。它是目前最新的单片机系列之一，其突出特点是执行速度高，片内硬件资源丰富。使用CPU内部的电源监测和可编程看门狗定时器，使电路具有较强的抗干扰能力。

单片机I/O端口的分配和功能：PB3输入，监测主机PC－TXD信号；PB0输出，接收使能信号；PB4输出，发使能信号；PB2输入，由K1设置双工或半双工通讯方式。

3 软件设计   

3.1 程序流程框图

串行口智能扩展卡的程序流程图如图4所示。

3.2 半双工通讯方式的软件设计                                         

在RS485半双工通讯方式下，首先允许接收、禁止发送数据。在检测到PC-TXD信号的数据起始位之后，通讯接口禁止接收、允许发送数据，并开始计时。通过检测数据信号的每个脉冲宽度，确定其波特率和数据的发送位数，进而计算出每帧数据允许发送的时间。当计时时间大于或等于该时间时，该通讯接口禁止发送并允许接收数据。在接收状态下，CPU重复检测发送数据的起始位。当检测到发送数据的起始位时，重复上述的数据发送的控制过程。

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3.3 双工通讯方式软件设计

在RS422双工通讯方式下，接收和发送使能信号始终有效，同时允许接收和发送数据。                             

4 结束语

电路结构简单、无须外部供电，笔者将它制作成串行口转换器直接插接在串行口插口上即可。它具有通用性强、性能可靠、结构简单、使用方便的特点。该电路使用了电源监测和可编程的看门狗监测定时器，使转换器具有较强的抗干扰能力。该转换器可广泛应用于主从式多机通讯系统。

参考文献
1． 吴秀清等，微型计算机原理与接口技术，中国科学技术大学出版社，1999.02
2． 李勋，耿德根，AVR单片机应用技术，北京航空航天大学出版社，2002.6