随着计算机在工业的广泛应用，控制局域网络也深入应用到各行各业之中。现行的诸多控制系统，若采用单机控制方式已越来越难以满足设备控制的要求，因为往往我们所控制的设备只是整个系统的一个基本单元，它既需要外部输入一些必要的信息，同时，也需要向外部输出自身的运行参数和状态。所有这些，都要求我们采用控制网络技术，将众多设备有机地连成一体，以保证整个系统安全可靠地运行。
　　目前，在我国应用的现场总线中，RS－485/RS－422使用最为普遍。当用户要将基于标准的RS－232接口设备，如PC机，连接至由RS－485/RS－422构成的通讯网络时，则必须作RS－232和RS－485/RS－422之间的电平转换。传统的做法是在设备内扩展一个通讯适配卡，由通讯适配卡实现电平转换，内部主机再通过并行总线读出或写入数据。显然，这种设计方法存在下列缺点：
　　· 由于适配卡是基于某一种总线标准扩展的，而不是基于RS－232电平标准，所以其应用范围受到限制，只能一种适配卡适用一种总线(如ISA适配卡不可能插入STD总线或用户自定义的总线)，其通用性较差；
　　· 虽然实现的仅仅是电平转换，但是由于需要考虑与扩展总线的接口和增加一个标准的UART，并且需要占用系统的其它宝贵资源，使硬件和软件变得过于复杂；
　　· 复杂的硬件设计大大增加了元器件的数目和电路板面，使适配卡的成本过高；
　　· 由于采用内置插卡方式，使变更通信方式比较麻烦，如将半双工通信方式设置为全双工方式等。另外，维修和测试也比较麻烦；
　　· 对于现有的基于RS－232的设备，在无法变动系统软件和硬件的情况下，显然适配卡无法将这些设备连成基于RS－485或RS－422通信网络的分布式系统。
　　为了克服上述缺点，同时考虑到RS－232接口的自身特点，我们设计了一种小巧的、无须外部供电的智能收发转换器，实现RS－232和RS－485/RS－422之间的电平转换。
1 功能描述及结构框图
　　本智能转换器作为一个独立的电平转换控制器，涉及线上取电、发送和接收状态的智能切换、通信方式设置、RS－232电平与RS－485/RS－422电平之间的转换等方面。具体描述如下：
　　· 从RS－232接口上取电
　　由于不采用外部供电方式，则必须从RS－232接口线取电，为内部元器件供电。我们知道，标准的RS－232接口定义中，TXD、RTS和DTR是RS－232电平输出。设计一个DC－DC转换器，从这些信号上，能够为系统提供一定的电源功率。
　　· 低功耗微处理器
　　微处理器通过监测TXD信号的变化，决定是否允许数据发送和数据接收。另外，有关通信方式、波特率和半/双工工作方式选择也是通过TXD信号，或I/O口来设定的。
　　· RS－232电平与TTL电平之间的转换
　　· RS－485/RS－422电平与TTL电平之间的转换
　　其内部电路结构示意图如图1所示。

2 工作原理
　　该智能转换器必须解决两个关键问题，即如何从RS－232线上获得电源和RS－485/RS－422接口驱动所需的功率，和如何智能控制RS－485/RS－422的收发使能。
2.1 电源方案
　　标准的RS－232定义中，有三个发送信号：TXD，RTS和DTR。每根线上的典型输出电流为±8mA/±12V，考虑到TXD为负电平(处于停止发送，或发送数字“1”时)的时间较多，因而电源转换决定采用负电源输入，以最大限度地增加电源输入功率，升压至所需的工作电源。从RTS和DTR上输入功率＝2×8×12mW＝192mW。另外，由于通讯为间歇工作方式，所以输入电源端的储能电容和TXD(为负电平时)能够补充一定的功率。假设，我们设计一个效率为85%、输出电压为3V的DC－DC转换器，则输出电流可达54.4mA。
2.2 智能控制收发使能
　　RS－232通讯接口采用电平方式传输，适用于点－点通讯，无须专门的收发使能控制；而对于RS－485/RS－422通讯接口则不同，由于采用差分电平方式传输，且允许在一条通讯总线上挂接多个节点，必然要求各个节点能够独立地控制总线驱动器关断或打开，保证不会影响到其它节点的正常通讯。为了简化与转换器RS－232接口端相连的软件工作，更重要的是为了提高本转换器的通用性和灵活性(即插即用，无须要求用户更改任何相关软件和硬件)，本转换器内置微处理器，实现收发使能的智能控制。具体方法：微处理器在检测到UART的通信起始位后，打开发送使能，允许串行数据发送至RS－485/RS－422通讯网络。微处理器根据所设定的波特率延时至UART停止位发送一半时(例如11位格式时，延时10.5T,T＝1/f_BAUD),开始检测是否有下一个起始位到来。在时间T内，若有下一个起始位到来，则保持发送状态，否则将关闭发送使能，结束数据发送。
3 硬件设计
　　由于本转换器供电来自RS－232信号线，其输入功率受到限制，因而在本设计中将尽可能地采用+3V供电的低功耗器件，保证总电流小于54.4mA。主要包括4个部分：DC－DC转换器、RS－232接口、RS－485/RS－422接口和微处理器。分别介绍如下：
3.1 DC－DC转换器
　　显然，还没有一个DC－DC转换器能够直接实现－12V输入，+3V输出的IC。但是，如果我们利用现有的IC，稍作改动，即可实现该功能。图2所示的DC－DC转换电路，就是利用MAX761实现的－12V输入，+3V输出、效率高于85%的升压DC－DC转换器。该转换器实际输入电压范围为－2.5～－13.5V，静态工作电流仅I₁＝120μA，具有输出电流大于54.4mA的能力(如果前端输入功率未受到限制，则输出电流可达300mA以上)。由于MAX761采用高效率的PFM控制方式,而且在本电路中,开关损耗较小(因为开关电流小于负载电流),所以能够达到比MAX761典型应用更高的效率(MAX761典型应用效率为86%)。输出电压由下列方程确定：
　　V_OUT＝V_REF×R1/R2+0.7(V)，其中V_REF＝1.5V
　　选取R2＝100kΩ，根据所需要的输出电压，计算R1。

3.2 RS－232接口
　　本转换器只需要一片单发/单收RS－232接口就可以满足要求，但必须要求+3V单电源工作、工作电流尽可能地小的接口电路。MAX3221/MAX3221E(带±15kVESD保护)刚好能够满足上述要求，具有1TX/1RX，其工作电压+3～+5.5V,仅1μA的静态电流，负载电流小于I₂＝2mA。
3.3 RS－485/RS－422接口
　　为兼顾RS－485/RS－422接口中半双工和全双工的要求，本转换器采用MAX3491作为RS－485/RS－422接口电路，其主要指标为：+3～+3.6V单电源工作、工作电流1mA,驱动60Ω负载时(半双工时，两个120Ω终端匹配电阻的并联值)，峰值电流可达I₃＝3V/60Ω＝50mA。半双工和全双工工作方式是通过跳线器来设置的，见图3。
3.4 微处理器
　　在本转换器中，微处理器所要完成的任务很简单，仅需要几根I/O线即可实现参数的设置和发送使能的自动控制。实际选择中，采用Microchip公司的PIC12C508A，其主要指标为：工作电流I₄＜1.0mA(工作电压3V，频率4MHz),6条I/O线，512kByte的ROM。其中，GP0、GP1、GP4和GP5四个引脚设定对应于16种常用波特率(300、600、1200至38.4Kbps等8种，以及900、1800至115.4Kbps等8种)的延时时间；GP3对应于10位或11位串行数据格式；GP2为TXD输入，用来检测UART何时发送和停止数据；GP1为复用输出引脚，用来控制MAX3491的发送使能控制端；GP0也为复用输出引脚，用来控制MAX3491的接收使能。详见图3。