工業(yè)RS485與USB2.0接口轉(zhuǎn)換電路剖析

鄔如梁

【摘要】現(xiàn)今社會(huì)不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)外圍接口由串聯(lián)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閁SB2.0接口模式，這種接口模式具有很大的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)中主要應(yīng)用的接口是RS485接口。將USB2.0接口轉(zhuǎn)化為RS485接口，將會(huì)為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很大的方便，這種電路在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中使用，必須要有超強(qiáng)的抗干擾能力。本文主要對(duì)USB2.0向RS485接口轉(zhuǎn)換的電路進(jìn)行相應(yīng)的分析，并且提出了相應(yīng)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)RS485接口;USB2.0接口;轉(zhuǎn)換電路;分析

1.前言

現(xiàn)今計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，USB2.0接口已經(jīng)逐漸的取代低速度的外圍接口，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣戎饾u加快。但是在工業(yè)生產(chǎn)的領(lǐng)域中，工業(yè)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的十分緩慢，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中主要是利用RS485接口，很多程序都需要利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，都是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以設(shè)計(jì)出將USB接口轉(zhuǎn)換為RS485接口，可以給用戶(hù)帶來(lái)很大的便利。

2.USB2.0到RS485接口轉(zhuǎn)換的研究設(shè)計(jì)

通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynch-ronous Receiver/Transmitter），稱(chēng)為UART，是一種通用串行數(shù)據(jù)總線(xiàn)，用于異步通信。該總線(xiàn)雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中，UART具有操作簡(jiǎn)單，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，因此相關(guān)的工作人員都認(rèn)為UART是最為適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐?。?duì)于USB向RS485轉(zhuǎn)換的電路的設(shè)計(jì)，主要可以分為兩個(gè)重要的部分：USB接口轉(zhuǎn)換UART接口與UART轉(zhuǎn)換RS485接口。

2.1 USB接口芯片的設(shè)計(jì)

在對(duì)USB接口芯片進(jìn)行選擇時(shí)，主要取決于執(zhí)行功能以及設(shè)計(jì)的難易度，USB接口的設(shè)備十分的復(fù)雜，因此USB接口設(shè)備必須要具備相應(yīng)的智能性，只有這樣才能夠?qū)ο鄳?yīng)的問(wèn)題進(jìn)行解決。對(duì)于USB轉(zhuǎn)化的芯片必須要具備以下幾個(gè)方面：

①USB接口控制器，在USB接口中，有些芯片僅能支持低速傳輸，但是有些卻可以支持所有的USB傳輸類(lèi)型接口;②發(fā)送與接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，保存發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)主要是采用FIFO結(jié)構(gòu);③寄存器主要由狀態(tài)寄存器以及控制寄存器，主要是對(duì)于接收以及發(fā)送的字節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的保存處理。

滿(mǎn)足該轉(zhuǎn)化技術(shù)的芯片主要有以下幾個(gè)因素：

①連接一般微處理器芯片;②基于通用系列的芯片;③應(yīng)用程序?qū)Ｓ玫男酒?。根?jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終可以發(fā)現(xiàn)，一般的微處理器的芯片的處理能力是比較的弱的，并且具有很大的缺點(diǎn)，而后兩種芯片在USB接口處理處理能力上卻比較相近，前者主要是利用微處理器，工作人員比較的熟悉操作，但是卻必須要自己編寫(xiě)USB轉(zhuǎn)換協(xié)議，編寫(xiě)這種協(xié)議十分的復(fù)雜，并且會(huì)消耗大量的時(shí)間，因此相關(guān)的人員都會(huì)選擇后者。

2.2 RS485接口芯片分析

在USB轉(zhuǎn)化UART接口之后，需要一種芯片將UART接口轉(zhuǎn)化為RS485接口，對(duì)于這種接口的選擇主要根據(jù)以下幾方面：

①節(jié)點(diǎn)數(shù)，節(jié)點(diǎn)數(shù)是指每個(gè)RS485接口芯片的驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)的RS485負(fù)載，芯片所支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)必須要多;②限斜率驅(qū)動(dòng)，信號(hào)在傳輸中會(huì)發(fā)生相應(yīng)的干擾反射，會(huì)影響正常的通信，為了解決這一問(wèn)題，因此在芯片上要設(shè)計(jì)出限斜率方式，從而來(lái)避免干擾;③失效保護(hù)，根據(jù)RS485接口的要求，必須要能夠符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn);④瞬態(tài)保護(hù)，由于外界電纜的原因，在電纜之上會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電壓，因此必須要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，來(lái)對(duì)接口進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。但是在進(jìn)行RS485接口選擇的時(shí)候，一定要能夠?qū)⑺械姆矫孢M(jìn)行相應(yīng)的考慮。

3.接口轉(zhuǎn)換電路EMC設(shè)計(jì)

3.1 EMC的概述

對(duì)于EMC的概念，本文為了更好的讓讀者了解，做了一些概念的描述，希望能夠更好地理解保護(hù)電路其設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)原型的測(cè)試的基本要求。EMC是其英文Electro Magnetic Compatibility的縮寫(xiě)，翻譯成中文是指電子與電氣設(shè)備或者是系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中，按照設(shè)計(jì)者要求在正常環(huán)境下工作的能力。它是電子電器設(shè)備或者是系統(tǒng)的技術(shù)性能，EMC的概念也包含以下三個(gè)方面：

電磁干擾（EMI），是指系統(tǒng)或設(shè)備在一定的環(huán)境時(shí)，其性能處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)其所承受的標(biāo)準(zhǔn)的電磁能量。

電磁抗擾度（EMS），是指系統(tǒng)或設(shè)備在一定的環(huán)境時(shí)，其性能處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其系統(tǒng)或設(shè)備所能承受標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的范圍內(nèi)的電磁能干擾量。

電磁環(huán)境是指系統(tǒng)或設(shè)備在一定的環(huán)境時(shí)，而且其性能處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁兼容量是作為評(píng)判產(chǎn)品質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。

3.2 電磁兼容保護(hù)電路的研究

產(chǎn)品在其工業(yè)環(huán)境中產(chǎn)生的干擾，依據(jù)其干擾源與傳播途徑的不同，可以分為以下兩點(diǎn)，一是傳導(dǎo)、輻射，二是瞬態(tài)干擾。其原因?yàn)楦蓴_的產(chǎn)生是由于干擾源的電流或電壓產(chǎn)生了其不必要的變化。假如這種不必要的變化通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)直接傳給其他的設(shè)備會(huì)造成很大的危害，這就叫做傳導(dǎo)干擾。假如這種變化所產(chǎn)生的電磁波間接的通過(guò)空間傳播給其他的設(shè)備時(shí)，所造成的危害，這就叫做輻射干擾。

根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)中的電磁波理論就可以知道，在30MHz以下的低頻帶下主要是傳導(dǎo)干擾，在30MHz到300MHz的頻帶，主要的危害是輻射干擾。但是在工業(yè)環(huán)境中也免不了存在一些短暫的高能量電脈沖的干擾，而產(chǎn)生這些高能量脈沖非來(lái)自于干擾源，所以被稱(chēng)為瞬態(tài)干擾。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原型是重要的組成部分，雖然其結(jié)構(gòu)不能單獨(dú)的解決EMC所有問(wèn)題，但這卻是解決EMC問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。在常見(jiàn)的問(wèn)題中，如良好的接地、電磁場(chǎng)屏蔽，都要借助于良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才行。對(duì)于EMC來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含著系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)概念，也就包含著結(jié)構(gòu)形態(tài)上的設(shè)計(jì)概念，在原型的EMC設(shè)計(jì)中，接地設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、濾波設(shè)計(jì)等都不可能單獨(dú)的存在著。信號(hào)輸入與輸出的接口位置，各種的電路在產(chǎn)品中的分布，電纜的布置，接地點(diǎn)的位置選擇都對(duì)EMC產(chǎn)生著其重要的影響。

4.結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)工業(yè)RS485與USB2.0接口轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了相應(yīng)的剖析，并且提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，將USB2.0接口轉(zhuǎn)化RS485接口，在很大程度上提高了工業(yè)生產(chǎn)的方便。

參考文獻(xiàn)

[1]胡曉軍，張愛(ài)成.USB接口開(kāi)發(fā)技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010，1（1）：80-83.

[2]蕭世文.USB2.0硬件設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012，2（2）：4-8.

[3]鄭軍奇.電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010，3（11）：30-34.