基于现场总线的开关量 I/O 模块的设计----总体方案设计 (三)

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4.6 RS485模块
          4.6.1串口基本类型介绍
          （1）.RS-232串行接口标准
          目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取非平衡传输方式，即所谓单端通讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s. RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。
       
        （2）.RS-422与RS-485串行接口标准
           
          2.1）.平衡传输
          RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～-6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
       
        接收器也作与发送端相同的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。
       
        2.2）. RS-422电气规定RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-422是四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多点的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是10×4k +100Ω（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。
       
        RS-422的最大传输距离为1219米，最大传输速率为10Mb/s.其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s. RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。
       
        3.2）.RS-485电气规定由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多点的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。
       
        RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12k ，而RS-422是4k，RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。
       
        4.2）.RS-485有关电气规定。
       
        RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s.平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100 kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s
          RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻，终接电阻接在传输总线的两端。
       
        4.6.2串口电路设计
          S3C2440带有三个通道的UART，可以通过TTL到RS485的电平转换实现RS485接口，实现RS485通信。如图4.10所示为S3C2440和MAX485的连接电路原理图。
       
         
        MAX485是用于支持RS-485/RS-422通信的低功耗收发器，内含一个独立的驱动器和接收器，支持半双工收发。它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与S3C2440连接RXD和TXD即可；RE和DE端分别为接收和发送的使能端，由GPH1来控制使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用S3C2440的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B端时，代表发送的数据为1；当A引脚的电平低于B端时，代表发送的数据为0.在与S3C2440连接时接线非常简单，只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，本电路选用120Ω的电阻。
       
        4.7其他外围模块
          4.7.1时钟模块
          S3C2440需要一个12M的无源晶振作为系统外部时钟源，和一个32.768kHz的无源晶振作为RTC时钟源。其中12M的无源晶振经CPU内部PLL电路倍频后作为CPU基总线的工作时钟和片内功能模块的工作时钟。片内的PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声，这是基于ARM微处理器系统常采用的一种手段。晶振电路原理图如图4.11所示。
         
           
          4.7.2复位模块
          MAX811T是一款连接比较简单的手动复位芯片，nMR引脚接开关，nRESET引脚接CPU的复位引脚。复位电路原理图如图4.1 2所示。
           
         
           
          4.7.3 JTAG调试模块
          JTAG是在开发过程中十分常用的接口，由于S3C2440处理器内部已提供了对JTAG的支持，因此只需要按照电气规范进行直接连接即可。该模块用来对首次boot loader的下载，操作简便。JTAG电路原理图如图4.13所示。
         
       
         
        4.7.4网络模块
          CS8900A是由美国CIRRUSLOGIC公司生产的以太网控制器。其性能优良，功耗低，价格低廉。传输速率为10 Mb/s.该接口电路中CS8900A工作在16位模式下，网卡芯片复位默认工作方式为I/O连接，寄存器的默认基址是300H.S3C2440的片选线nGCS3作为CS8900A的片选信号。由74HC14和74HC32两种门电路组成复位电路，为新片提供复位信号。RJ45接头选择HR911103A，该接头集成网络变压器的，可提高稳定性和可靠性，且减小体积。该模块用来快速更新操作系统内核和文件系统.
       
        4.7.5键盘模块
          键盘模块由两片74HC151组成，并接10K上拉电阻，每个按键集成LED灯，用来指示开关通路状态。其原理图如图4.14：
         
       
        A-B端驱动LED用于表示按键状态，C端接地，D端为“读”端，按键在自由状态下，由于上拉作用，D为高电平，按下按键，1-2导通，D端为低电平，由D端高低电平的变化即可实现对按键操作的识别。
       
        4.7.6 RS232转RS485模块
          HTD-RS232/RS485的特点：先进的串口窃电技术，效率高达90%以上，只用TX、RX、GND三线；独立的串口保护电路，具有抗静电、抗雷击、突波抑制功能；可带电插拔；通信距离在115200bps可达500米，19.2Kbps可达1.2公里，在1.2 Kbps时可达2公里，在30 0bps可达3公里；内置智能模块，自动识别RS-485信号流向，零延时自动转发技术；通信波特率0-150Kbps自适应；内置600W/ms抗雷击保护器和1500V抗静电保护器；RS-485线路保护，RS-485信号无需共地，网络成本低；工业级设计，工作温度范围：-45℃-85℃