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[嵌入式]关于RS232通信电路设计讲解

一、应用需求

首先我们要考虑一下,在什么场景下会用到RS232通信电路,还是说随便想想就用了!!

我们应用前,先对RS232有个基本的了解。

1、标准介绍

RS-232全双工通讯,串行通信方式。
RS-232C是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的,在异步串行通信中应用最广泛的标准总线。RS-232C 标准(协议)的全称是EIA-RS-232C 标准,其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会,其中RS是Recommended Standard的缩写,代表推赠标准,232是标识符,C代表RS-232的最新一次修改(1969年),在这之前,有过RS-232A、RS-232B标准,它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。现在,计算机上的串行通信端口(RS-232)是标准配置端口,已经得到广泛应用。

2、电气特性

EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了明确规定。

在TXD和RXD引脚上电平定义:逻辑1(MARK) = -3V~-15V
逻辑0(SPACE) = +3~+15V
在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD等控制线上电平定义:
信号有效(接通,ON状态,正电压)=+3V~+15V
信号无效(断开,OFF状态,负电压)=-3V~-15V

以上规定说明了RS-232C 标准对逻辑电平的定义。对于数据(信息码):逻辑“1”的传输的电平为-3V~-15V,逻辑“0”传输的电平为+3V~+15V;对于控制信号;接通状态(ON)即信号有效的电平为+3V~+15V,断开状态(OFF)即信号无效的电平为-3V~-15V,也就是当传输电平的绝对值大于3V 时,电路可以有效地检查出来;而介于-3~+3V之间的电压即处于模糊区电位,此部分电压将使得计算机无法准确判断传输信号的意义,可能会得到0,也可能会得到1,如此得到的结果是不可信的,在通信时候体现的是会出现大量误码,造成通信失败。因此,实际工作时,应保证传输的电平在±(3~15)V 之间。

3、通信距离和速度

RS-232规定最大的负载电容为2500pF,这个电容限制了传输距离和传输速率,由于RS-232C的发送器和接收器之间具有公共信号地(GND),属于非平衡电压型传输电路,不使用差分信号传输,因此不具备抗共模干扰的能力,共模噪声会耦合到信号中,在不使用调制解调器(MODEM)时,RS-232能够可靠进行数据传输的最大通信距离为15米,对于RS232远程通信,必须通过调制解调器进行远程通信连接。

现在个人计算机所提供的串行端口的传输速度一般都可以达到115200bps甚至更高,标准串口能够提供的传输速度主要有以下波特率:1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps等,在仪器仪表或工业控制场合,9600bps是最常见的传输速度,在传输距离较近时,使用最高传输速度也是可以的。传输距离与传输速度的关系成反比,适当地降低传输速度,可以延长RS-232的传输距离,提高通信的稳定性。

经过上面的介绍,我们可以总结出来,在选用RS232通信电路时主要考虑以下几点:
(1)、逻辑电平
(2)、传输距离
(3)、通信速度
(4)、通信方式(1对1还是1对多)(RS232是多应用于1对1模式)

二、器件选型

在确定要选用RS232通信电路后,我们要进行器件的选型;我之前的项目中使用了RS232通信电路作为调试使用,并且需满足以下几点:

(1)、传输距离:50cm;
(2)、通信波特率:115200bps;

(3)、工作温度:-30℃----85℃
(5)、工作电压:+3.3V或+5V
(6)、防静电要求:接触放电±8KV、空气放电±15KV
(7)、尺寸

那我们要进行选择,可能公司的库存里面有很多种型号,如MAX3232、SP232还有UM3232EESE等,按照我们的需求对比每个芯片手册进行筛选,发现3款芯片都满足;最后进行成本和尺寸对比,选出UM3232EESE这款芯片。

三、电路设计

器件选择完成,下一步就是电路设计。

基础的设计可以参考芯片手册中提供的参考电路,因为这个是厂家经过大量的试验所得出的,有问题可以追溯,我们先来看一下芯片手册中的设计。
在这里插入图片描述
但是出于对性能的考虑,我们需要增加一些保护电路及抗干扰电路,最后就成为一个完整的成品电路。
在这里插入图片描述
基础电路的设计,我们是参考了芯片手册中的,如C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-端口,通信接口部分我们做了另外的设计。

讲解一下这个电路的各部分原理:

注:(1)、这里面提一点,为了更好的保证RS232通信电路的EMC性能,一般我们会在输出的地方加一个共摸电感用于抑制共摸干扰,因为我这里是用于调试使用,不是一直处于通信状态所以没有加;
(2)、如果经常的进行热插拔的话,在输出接口处,最好添加小电容用于滤除高频干扰。

(1)、C1+(电荷泵倍压电容器正极)、C1-(电荷泵倍压电容器负极):与RS232内部电路构成电荷泵电路,对RS232的输出电压进行调节,达到要求的电平。

(2)、C2+(电荷泵逆变电容器正极)、C2-(电荷泵逆变电容器负极):与RS232内部电路构成电荷泵电路,对RS232的输出电压进行调节,达到要求的电平。

(3)、V+(+5.5V由充电泵产生)、V-(-5.5V由充电泵产生):
与RS232内部电路构成电荷泵电路,对RS232的输出电压进行调节,达到要求的电平。

注:前三条我也没有查找到合适的讲解,目前只知道是上述的作用

(4)、T1IN(TTL/CMOS发射极输入)、R1OUT(TTL/CMOS接收极输出)、T2IN(TTL/CMOS发射极输入)、R2OUT(TTL/CMOS接收极输出):用于MCU或其他具备TTL/CMOS 电平的芯片与RS232芯片通信的接口

(5)、T1OUT(RS232发射极输出)、R1IN(RS232接收极输入)、T2OUT(RS232发射极输出)、R2IN(RS232接收极输入):用于RS232芯片与外部通信的接口

(6)、R52、R53、R55、R56:限流保护作用

(7)、D10、D11:过压保护作用

四、验证

电路设计完成、PCB绘制完成,那肯定要有反馈,最后一步就是验证。PCB贴片回来后,我们要进行程序烧写测试,看一下通信是否正常,然后再用示波器对比查看TXD、RXD的波形是否有失真。

1、功能验证

(1)、软件通信测试

对RS232的通信接口进行数据收发验证,保证收发正常。

(2)、通信波形测试

在发送数据与接收数据是,通过示波器查看发送数据的波形与接收数据的波形,包括RS232与MCU通信端、RS232与RS232通信端,查看是否有失真现象。

2、性能验证

功能测试完成后,我们要进行最后一步的性能试验,一般我们都是对整机进行试验,如电磁兼容试验、安规试验、高低温等等,这些试验都能满足的情况下,才能算是一个合格的产品。

注:其实大部分电路的设计都可以参照上面的这个思路,大家可以参考一下。

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加:2021-09-23 11:37:35  更:2021-09-23 11:38:22 
 
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