基于可编程逻辑阵列的RS232至RS422的串行口扩展电路

由于RS-422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，该总线在数据采集、监控管理及集散控制系统的主从式多机通讯系统中得到普遍应用。但是，若在一条RS-422 通讯总线上连接过多的从机，则有可能会由于总线负担过重，而使系统可靠性变差，有时甚至会导致整个系统无法正常工作。

为了解决RS422总线在实际应用中可能出现的问题，笔者设计出一种以可编程逻辑阵列GAL16V8为核心的串行口扩展电路。它可将微机的一路RS232串行口扩展至4路RS-422串行口。该电路通过主机软件对DTR、RTS控制信号的编程，可以和任选通讯接口的从机进行数据通讯;也可以不用DTR、RTS控制信号，而直接实现主机与全部通讯接口的从机之间的数据通讯，同时可在不改变原来软件的情况下，做到即插即用。

本电路采用DC-DC隔离电源供电，主机与通讯接口之间采用高速光耦来实现光电隔离，从而增强了主机系统的抗干扰能力。此外，该扩展电路还具有不占用系统资源、结构简单、使用方便、通用性强和性能可靠等特点，因此，可广泛应用于全双工通讯方式的主从式多机通讯系统。

在实际的煤气泄漏巡检系统中，笔者用该扩展电路组成的主从式多机通讯网络，实现了主机与40多台数据采集装置之间的数据通讯，而且保证了通讯性能的稳定可靠。

1　电路的整体结构

图1所示是这种RS-422串行口扩展电路的结构框图。整个扩展电路分为4个部分，其中，第一部分是DC-DC隔离电源。为了提高整个系统的抗干扰能力，本电路采用隔离电源来进行供电。第二部分是RS-232接口电路，用于实现各信号的RS-232电平与TTL电平的转换;第三部分是RS485/RS422接口电路，主要实现各信号的RS485/RS422电平与TTL电平的转换;第四部分是以可编程逻辑阵列GAL16V8 为核心的译码控制电路，主要用于实现对通讯接口的切换。

2　电路工作原理

2.1 DC-DC隔离电源

为了提高整个系统的抗干扰能力，本电路采用隔离电源供电。DC-DC隔离电源的工作原理如图2所示。电路中的MAX761 DC-DC转换芯片是采用PFM(脉冲调频方式)方式来工作的，最高调制频率为300kHz。该芯片内部含有误差放大器、频率调制器和功率驱动管。MAX761只需少数几个外围元件即可组成DC-DC电源转换电路。而电路中的LT431芯片则是集电极开路的误差放大器，它内含2.5V基准源。

该DC-DC隔离电源主要通过调节输出脉冲的频率(调节脉冲的间歇时间)来使输出电压保持稳定。其稳压过程的原理为：

当输出电压下降时，R4电压、误差、LT431输出、光耦输出电流、R1电压均随之降低。当R1电压小于1.5V基准电压时，在调制脉冲的正半周期，LX端输出低电平? 脉冲变压器初极电流线性增大，D1反偏截止，此时次极无电流，脉冲变压器开始储存能量;而在调制脉冲的负半周，LX端输出高电平，脉冲变压器释放能量，感应电压经D1(正向导通)输出使输出电压上升。从而使输出电压保持稳定。

实际上，当输出电压升高时，R4电阻上的电压和误差、LT431输出到光耦的输出电流、以及R1上的电压均随之升高，当R1电压大于1.5V基准电压时，在调制脉冲的负半周，LX端输出高电平，脉冲变压器不产生电压。而此时负载消耗将使输出电压下降。从而使输出电压保持稳定。

2.2 RS-232接口电路

串行口扩展电路的电路连接如图3所示。图中的MAX238 接口芯片含有4路RS-232接口电路，其中一路用于RXD、TXD通讯信号的电平转换，另外两路用于DTR、RTS信号的电平转换。通过主机软件可设置DTR、RTS的状态以选择通讯接口，从而实现主机与连接在此通讯接口上的从机之间的数据通讯。

图3

2.3 RS422/RS485接口电路

RS422/RS485接口电路由4片(U3～U6)MAX489芯片组成。MAX489芯片内部含有一组接收、发送电平转换电路。该芯片是全双工通讯方式的RS422接口芯片， 芯片上的RE使能端(低有效)用于控制数据的接收，DE 使能端(高有效)则控制数据的发送。为便于通讯系统的调试，可以在接收端、发送端和各路发送使能端分别安装一个发光管以观察各路的通讯状态。

2.4 译码控制电路

电路中的U1(GAL16V8)是可编程的逻辑阵列，利用该芯片并通过编程可实现译码控制。将主机发出的通讯口选择信号DTR、RTS由IN5、IN6输入到U1，同时将设置开关K1由IN1接入U1?这样，当K1、DTR和RTS经译码后，即可由OUT1～OUT5输出到U3～U6的发送使能端，以分别控制4个通讯口的数据发送器，从而完成主机向所选择通讯总线的数据发送;此外，经OUT5～OUT8输出到U3～U6的接收使能端，则可分别控制4个通讯口的数据接收器，以最终使主机通过通讯总线完成从机数据的接收功能。其通讯端口的选择如表1所列。

表1 通讯端口选择表

K1DTRRTS通讯端口

0000

0011

0102

0113

1XX全部

3　结束语

该电路中的全部芯片均选用+5V单电源供电，因而电路结构十分简单。另外，电路采用DC-DC隔离电源供电，且主机与通讯接口之间采用高速光耦进行光电隔离，也增强了主机系统的抗干扰能力。该电路同时具有不占用系统资源、结构简单、使用方便、通用性强和性能可靠等特点?可广泛应用于双全工通讯方式的主从式多机通讯系统。