西門子CPU模塊6ES7331-7HF01-0AB0技術詳解

該智能轉換器必須解決兩個關鍵問題即如何從RS-232線上獲得電路和RS-485/RS-422接口驅動所需的功率和如何智能控制RS-485/RS-422的收發使能
3.1.電源方案
標準的RS-232 定義中有三個發送信號TXD RTS 和DTR 每根線上的典型輸出電流為8mA/ 12V 考慮到TXD為負電平處于停止發送或發送數字1 時的時間較多因而電源轉換決定采用負電源輸入以最大限度地增加電源輸入功率升壓至所需的工作電源從RTS和DTR上輸入功率=2*8*12mW=192mW,另外由于通訊為間歇工作方式所以輸入電源端的儲能電容和TXD 為負電平時能夠補充一定的功率假設我們設計一個效率為85% 輸出電壓為3V 的DC-DC 轉換器則輸出電流可達54.4mA
3.2.智能控制收發使能
RS-232通訊接口采用電平方式傳輸適用于點-點通訊無須專門的收發使能控制而對于RS-485/RS-422通訊接口則不同由于采用差分電平方式傳輸且允許在一條通訊總線上掛接多個節點必然要求各個節點能夠獨立地控制總線驅動器關斷或打開保證不會影響到其它節點的正常通訊為了簡化與轉換器RS-232 接口端相連的軟件工作更重要的是為了提高本轉換器的通用性和靈活性即插即用無須要求用戶更改任何相關軟件和硬件本轉換器內置微處理器實現收發使能的智能控制具體方法微處理器在檢測到UART 的通信起始位后打開發送使能允許串行數據發送至RS-485/RS-422 通訊網絡微處理器根據所設定的波特率延時至UART 停止位發送一半時例如11位格式時延時10.5T,T=1/fBAUD ,開始檢測是否有下一個起始位到來在時間T內若有下一個起始位到來則保持發送狀態否則將關閉發送使能結束數據發送
4. 硬件設計
由于本轉換器供電來自RS-232信號線其輸入功率受到限制因而在本設計中將盡可能地采用+3V供電的低功耗器件保證總電流小于54.4mA 主要包括4個部分DC-DC轉換器RS-232接口RS-485/RS-422接口和微處理器分別介紹如下
4.1. DC-DC轉換器
顯然還沒有一個DC-DC 轉換器能夠直接實現-12V 輸入+3V 輸出的IC 但是如果我們利用現有的IC 稍作改動即可實現該功能圖2 所示的DC-DC 轉換電路就是利用MAX761 實現的-12V 輸入+3V 輸出效率高于85%的升壓DC-DC 轉換器該轉換器實際輸入電壓范圍為-2.5V 至-13.5V 靜態工作電流僅I1=120 A 具有輸出電流大于54.4mA的能力如果前端輸入功率未受到限制則輸出電流可達300mA以上由于MAX761采用高效率的PFM 控制方式,而且在本電路中,開關損耗較小(因為開關電流小于負載電流),所以能夠達到比MAX761 典型應用更高的效率(MAX761 典型應用效率為86%) 輸出電壓由下列方程確定
VOUT=VREF*R1/R2+0.7(V) 其中VREF=1.5V

-12V至3V 效率高于85%的DC-DC轉換器
4.2. RS-232接口
本轉換器只需要一片單發/單收RS-232接口就可以滿足要求但必須要求+3V單電源工作工作電流盡可能地小的接口電路MAX3221/MAX3221E 帶15kVESD保護剛好能夠滿足上述要求具有1TX/1RX 其工作電壓+3V至+5.5V, 僅1 A的靜態電流負載電流小于I2=2mA
4.3. RS-485/RS-422接口
為兼顧RS-485/RS-422 接口中半雙工和全雙工的要求本轉換器采用MAX3491 作為RS-485/RS-422 接口電路其主要指標為+3V 至+3.6V 單電源工作工作電流1mA,驅動60負載時半雙工時兩個120 終端匹配電阻的并聯值峰值電流可達I3=3V/60 =50mA半雙工和全雙工工作方式是通過跳線器來設置的見圖3
4.4. 微處理器
在本轉換器中微處理器所要完成的任務很簡單僅需要幾根I/O 線即可實現參數的設置和發送使能的自動控制實際選擇中采用Microchip公司的PIC12C508A其主要指標為工作電流I4<1.0mA(工作電壓3V 頻率4MHz),6 條I/O 線512kByte 的ROM 其中GP0 GP1 GP4和GP5四個引腳設定對應于16 種常用波特率300 600 1200至38.4Kbps等8 種以及900 1800 至115.4Kbps等8種的延時時間GP3對應于10位或11位串行數據格式GP2為TXD輸入用來檢測UART何時發送和停止數據GP1為復用輸出引腳用來控制MAX3491的發送使能控制端GP0也為復

本轉換器的最大電流總和<I1+I2+I3+I4=0.12+2.0+ 50.0+1.0=53.12mA 小于DC-DC轉換器的最小輸出電流54.4mA 因而通過RS-232信號線為本電路供電是可行的實際上由于輸入電源端的儲能電容E1 和TXD 為負電平時能夠為電路補充一定的功率所以設計上留有較大的電源功率裕量
5. 軟件設計