一种解决RS-232长距离串行通信的实用方法

出处：南京航空航天大学刘文波张弓发布于：2011-08-29 22:55:19

　　1 引言

　　个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）所制定的异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以9个引脚（DB-9）或是25个引脚（DB-25）的型态出现，一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。

　　串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别使用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

　　在通信领域内，有两种数据通信方式：并行通信和串行通信。随着计算机网络化和微机分级分布式应用系统的发展，通信的功能越来越重要。通信是指计算机与外界的信息传输，既包括计算机与计算机之间的传输，也包括计算机与外部设备，如终端、打印机和磁盘等设备之间的传输。

　　串行通信是指计算机主机与外设之间以及主机系统与主机系统之间数据的串行传送。使用串口通信时，发送和接收到的每一个字符实际上都是一位的传送的，每一位为1或者为0。

　　RS-232串行通信是早期为促进公共电话网络通信而制定的标准，是目前异步通信中应用广的标准总线，适用于数据终端设备和数据通信设备之间的接口。图1所示为RS-232串行通信的简单示意图。然而，由于发送器（TXD）和接收器（RXD）之间具有公共信号地（GND），因此不能使用双端信号，这样可能会使共模噪声耦合到信号系统中。因此，设计者不得不使用较高传输电压进行传输，另外，这种传输方式的信号传输速度为20kB/s，长距离仅为15m。显然这样的传输速度和距离已不能适应现代网络通信的要求，为了使许多自身带有RS-232通信接口的设备能够在尽量降低硬件成本和减轻软件工作量的情况下实现长距离串行通信，笔者开发了一种利用电流环同RS-232进行接口来实现具有光电隔离功能的长距离串行通信系统。

　　2 20mA电流环数据传送信号原理

　　20mA电流环路串行接口也是一种应用较广的接口电路，其串行通信接口电路如图2所示，由于其没有形成正式标准，因此一般计算机的数据传送设备不具有这种接口。但其接口电路简单，发送正、发送负、接收正、接收负四根线分别组成了输入电流回路和输出电流回路。在发送数据时，根据数据的逻辑1和逻辑0来有规律的使回路形成通、断状态（图2中用开关示意电流的有无）。电流环串行通信接口的优点是低阻抗传输线对电气噪声不敏感，而且易实现光电隔离，且传输距离很长。

　　3 电路环路同RS-232串行通信电路的接口

　　结合电流环传输的上述特点，在充分利用设备自身配有的RS-232串行通信口的基础上，笔者设计了如图3所示的将RS-232信号转换成电流环来进行信号传输的接口电路。图3中ICL232芯片用于完成RS-232接口信号同TTL电平信号间的调整，RS-232总线的发送端（TXD）信号经ICL232芯片转换成TTL电平信号后，经光耦（4N25），由芯片SN75452进行电流驱动。在传输线上，以电流有无的方式传输数字信号。同理，在接收端，电流信号经光耦及反向器整形，在形成TTL电平信号后，由ICL232芯片调理，然后将产生的标准RS-232电平信号送到RS-232串行通信的接收端（RXD），以完成串行通信的发送和接收。由图3可知，电流环的传送和接收是对地隔离的，即使传输线上受到强干扰，通信两端带有的标准RS-232通讯接口设备也不会受到影响，从而起到了通信线路同设备及设备之间的隔离，保证了设备的安全。采用这种方式传送信号不但传输距离远（在9.6kB/s的速度下，传输距离可达1km以上），而且抗干扰能力极强，即使在环境非常恶劣的条件下，也能保证通信的正常运行。

　　4 应用实例

　　在某五星级宾馆的污水处理监视系统中，将图3中传输长线两端的电路分别做成两块电路板，一块置于计算机端，将计算机串行口信号转换成电流环信号发送出去或将电流信号转换成RS-232电平信号进行信息接收；另一块置于可编程控制器（PLC）端，用于将电流信号转换成标准的RS-232信号送到PLC的串行口上或将PLC串口发出的信号转换成电流，并通过电流回路发送出去，以实现计算机同PLC间的串行通讯，其系统工作图如图4所示。该方案的采用不但克服了单纯使用RS-232串行通讯时的通导误码较多，以及在大功率电泵启动或出现雷电天气时通讯完全失败等现象的发生，同时避免了PLC及计算机的串行口经常损环等问题，从而实现了隔离和长距离通讯的双重功能。同时这种方法软件编程简单（同RS-232标准接口一样），硬件成本很低（仅需要增加150元左右）。同目前解决长距离串行通信采用的RS-422总线相比，其性能价格比提高了数十倍甚至更多。目前，笔者设计此通讯接口已连续运行两年，没有出现任何问题。