無極性rs485接口電路實現轉換速率增強的方法及電路的制作方法
【專利摘要】一種無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的方法及電路，通過監測發射器使能信號端DE的輸入信號，令當且僅當所述輸入信號由高電平變化為低電平時，啟動邏輯控制來產生分別暫時替代發射器使能信號端DE和數據輸入端DI的輸入信號的兩個信號來起到內驅動作用。采用本發明方法的轉換速率增強電路，包括D觸發器和邏輯控制電路，具有架構簡單，易于集成實施的優點。
【專利說明】無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的方法及電路
[0001]【技術領域】本發明涉及電通信技術，特別涉及裝置或設備之間的數據傳送接口。
[0002]【背景技術】RS485通訊網絡是現有智能電表數據信息采集系統進行數據通訊所最常用的一種組網形式。傳統RS485通訊網絡從速度以及穩定性來說可以滿足現有數據采集的要求，但這種網絡存在A、B線的極性，現場一旦有一個節點的總線極性接反便會造成整個網絡不能工作的后果，給網絡的施工、組建增加了很大的工作量和難度，并對驗證、維修及調試極為不便。
[0003]基于此情況，已有一些無極性RS485網絡方案被提出來用以替代傳統有極性RS485網絡方案。無極性RS485不再區分A、B線，極性可以自由切換從而使接口能完全兼容傳統RS485接口。為此，需將接口總線A、B兩端所接的上、下拉電阻去掉。隨之而來的一個嚴重問題是，當一組數據傳輸完畢，發射器禁止(即發射器使能信號由高變低)時，A、B兩端的電壓僅僅依靠采集器輸入端所接的上、下拉電阻來驅動:受到環境因素的限制，當總線上負載較重時，則由電阻驅動的波形轉換速率極低，會產生嚴重的失真，往往導致通訊異常或者通訊失敗等現象出現。
[0004]目前無極性RS485常用兩種方式來提高轉換速率和減小失真效果:一種是通過修改軟件或者硬件來實現，其不足之處在于:設計比較復雜，對硬件和軟件需要有所改動，并不能做到完全兼容傳統有極性的RS485。另一種通過調節采集器輸入端所接的上、下拉電阻來實現轉換速率增強，一般是將其阻值設計得比較小，不足之處在于:受環境因素的影響，對于不同的負載，其電阻值也要跟隨著變化，難以一致；且較小的電阻阻值，將產生較大的功耗電流；接口芯片驅動能力往往也限制了電阻阻值的設計選擇，過小阻值的電阻將導致該接口芯片無法正常工作。
[0005]
【發明內容】
本發明要解決的技術問題在于避免上述現有技術的不足之處而提出一種無極性RS485轉換速率增強電路及方法，使轉換速率無需依賴外部電阻。
[0006]為解決上述技術問題，本發明的基本構思為:設計一個內置且能完全兼容UART串口的內置轉換速率增強電路，當數據傳輸完畢發射器禁止時，啟動轉換速率增強機制，用內置驅動來取代外部電阻式驅動，從而達到快速增強轉換速率的目的。
[0007]作為實現本發明構思的技術方案是，提供一種無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的方法，尤其是，包括:監測該無極性RS485接口電路的發射器使能信號端DE的輸入信號的步驟；當且僅當所述輸入信號由高電平變化為低電平時，啟動邏輯控制來產生一比該輸入信號延遲Tl的延遲信號及一持續Tl時長的高電平脈沖直至該輸入信號恢復高電平為止的步驟，從而實現轉換速率增強；該延遲信號用來暫時替代由發射器使能信號端DE輸入的所述輸入信號，在所述TI時長內該高電平脈沖用來替代由該無極性RS485接口電路數據輸入端DI輸入的信號，其中，Tl為預定時長。
[0008]上述方案中，所述Tl設定為小于或等于10微秒。更進一步，在所述邏輯控制中增加一個使能控制機制，決定是否對該無極性RS485接口電路實現轉換速率增強。
作為實現本發明構思的技術方案還是，提供一種無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的電路，傳輸來自該無極性RS485接口電路兩個輸入端，即發射器使能信號端DE和數據輸入端DI的信號；尤其是，包括一連接該兩個輸入端的邏輯控制電路和一連接所述發射器使能信號端DE的沿偵測及計時電路，該沿偵測及計時電路的輸出端連接該邏輯控制電路的又一輸入端；所述邏輯控制電路通過兩個輸出端或者傳輸輸出來自所述無極性RS485接口電路兩個輸入端的信號，或者輸出一比發射器使能信號端DE輸入信號遲滯Tl的延遲信號和一持續Tl時長的高電平脈沖，其中，Tl為預定時長。
[0009]上述方案中，所述沿偵測及計時電路包括一計時電路，受控產生所述Tl時長的計時；該計時電路包括若干逐級連接的D觸發器，各個D觸發器的數據輸入端連接各自的負輸出端并進而連接到下一級D觸發器的時鐘輸入端，第一級D觸發器的時鐘輸入端接所述時鐘，最后一級D觸發器的負輸出端為該計時電路的輸出端。具體地，所述沿偵測及計時電路還包括一個D觸發器13和一個反相器14，該反相器14的輸入端連接所述發射器使能信號端DE，該D觸發器13的數據輸入端接地，正輸出端Q連接所述邏輯控制電路；所述計時電路的輸出端連接到所述D觸發器13的時鐘輸入端；所述反相器14的輸出端同時連接所述計時電路的各個D觸發器和所述D觸發器13的復位端CLR。
[0010]上述方案中，所述邏輯控制電路包括輸入端分別電連接發射器使能信號端DE和沿偵測及計時電路的輸出端的一第一或門17，該第一或門17的輸出端為該邏輯控制電路的第一輸出端；還包括輸入端連接所述沿偵測及計時電路的輸出端的一非門15，該非門15的輸出端與所述發射器使能信號端DE分別連接到一或非門19的兩個輸入端，該或非門19的輸出端與數據輸入端DI分別連接到一第二或門16的兩個輸入端，該第二或門16的輸出端為該邏輯控制電路的第二輸出端。
[0011]上述方案中，所述邏輯控制電路還包括分別電連接所述第一或門17和或非門19的一控制輸入端FT_EN，該控制輸入端FT_EN或者接地或者接電源。具體地，所述沿偵測及計時電路的輸出端和控制輸入端FT_EN分別連接與門的輸入端，通過該與門的輸出端來電連接第一或門17的輸出端；所述控制輸入端FT_EN經第二非門110來電連接所述或非門19的第三輸入端。
[0012]作為實現本發明構思的技術方案還是，提供一種一種無極性RS485接口電路或無極性RS485接口芯片，包括兩個輸入端，即發射器使能信號端DE和數據輸入端DI，尤其是，還包括如上述各方案所述的無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的電路。
[0013]與現有其它技術比較，本發明措施的電路架構簡單，能完全兼容傳統的RS485，而對軟件和硬件無需做任何改動，且能在大多數集成電路制造工藝上實現。另外，采用本發明方法，由于內置轉換速率增強機制，無需依靠采集器外部所接的上，下拉電阻來驅動，使得本發明在實際應用中不僅能省掉一個光電耦合器，而且能完全兼容UART串口。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為現有無極性RS485接口電路的內部框圖；
圖2為本發明無極性RS485接口電路的內部框圖；
圖3為本發明轉換速率增強電路的具體電路實施例；
圖4為圖3工作原理的時序示例圖；
圖5為本發明無極性RS485在UART串口的使用實施例；
圖6為傳統RS485在UART串口的使用實施例。【具體實施方式】
[0015]下面，結合附圖所示之最佳實施例進一步闡述本發明。
[0016]在傳統無極性RS485電路中，若要與UATR串口兼容，無極性RS485接口芯片一般采用如圖5所示的外圍應用電路。UART串口的發送端TXD和接收端RXD分別通過光電耦合器Ul和U2接入RS485接口芯片U3的發射器使能信號DE端和RO端。接入到該芯片U3端口 A、B的總線代表RS485組成的通信網絡環境，該接口芯片U3經總線接入采集器的A、B端，同時，該A端通過上拉電阻R5接電源，B端通過下拉電阻R6接地。發射器使能信號端DE的高電平表示發射器處于開啟狀態，低電平表示發射器處于禁止狀態。這樣，當所述發射器使能信號端DE數據為“I”時，端口 A、B輸出數據為“O”;當發射器使能信號端DE數據由“I”變為“O”時，端口 A、B為三態門(即懸空狀態)，輸出僅僅依靠采集器外部所接的上、下拉電阻R5和R6來驅動將數據置為“I”。由于電阻的驅動能力受到環境條件和負載的約束，轉換速率低，在負載較重或者高速通信下，往往會造成數據錯誤或者數據丟失的現象。
[0017]圖1示意了現有無極性RS485接口的內部框圖，包括用來控制輸出端運放13的發射器使能信號端DE，數據輸入端DI連接選擇器12的輸入端，該選擇器12輸出端連接所述輸出端運放13的輸入端。當發射器使能信號端DE數據為“I”時，端口 A、B輸出數據為“O”。本發明為增強當發射器使能信號端DE數據由“I”變為“O”時的端口 A、B轉換速率，提出的方法將包括:
監測該發射器使能信號端DE的輸入信號的步驟；
當且僅當所述輸入信號由高電平變化為低電平時，啟動邏輯控制來產生一比該輸入信號延遲Tl的延遲信號DE_E及一持續Tl時長的高電平脈沖直至該輸入信號恢復高電平為止的步驟；該延遲信號用來暫時替代由發射器使能信號端DE輸入的所述輸入信號，在所述Tl時長內該高電平脈沖用來替代由該無極性RS485接口電路數據輸入端DI輸入的信號，其中，Tl為預定時長。
[0018]這樣，為延緩端口 A、B進行懸空狀態提供內驅動，將有助于轉換速率增強。根據總線配置要求，所述Tl時長設定為小于或等于10微秒，一般設計為I微秒左右即可。
[0019]圖2示意了本發明在圖1基礎上的變化，增加一轉換速率增強電路101。該轉換速率增強電路101傳輸來自兩個輸入端(即發射器使能信號端DE和數據輸入端DI)的信號。它包括一連接該兩個輸入端的邏輯控制電路和一連接所述發射器使能信號端DE的沿偵測及計時電路，該沿偵測及計時電路的輸出端連接該邏輯控制電路的又一輸入端；所述邏輯控制電路通過兩個輸出端或者傳輸輸出來自所述無極性RS485接口電路兩個輸入端的信號，或者輸出一比發射器使能信號端DE輸入信號遲滯Tl的延遲信號和一持續Tl時長的高電平脈沖。具體來說，當發射器使能信號端DE數據為“I”時，所述邏輯控制電路的輸出效果與圖1電路無異；但當發射器使能信號端DE數據由“I”變為“O”時，所述沿偵測及計時電路啟動，產生一個持續Tl時長的脈沖送給邏輯控制電路處理和運算，最終產生相應的內驅動信號送給所述輸出端運放13和選擇器12。因此，圖2中所述邏輯控制電路實現的功能是，使輸出往所述輸出端運放13的信號在兩種信號間切換:發射器使能信號端DE的輸入信號和比該輸入信號延遲Tl的延遲信號，以及使輸出往所述選擇器12的信號也將在兩種信號間切換:數據輸入端DI的輸入信號和一持續Tl時長的高電平脈沖。[0020]圖3示意了該轉換速率增強電路101的最佳實施例。包括沿偵測及計時電路102和邏輯控制電路103。其中，所述沿偵測及計時電路102包括計時電路用來計時產生Tl時長，可以采用定時電路來實現，也可以采用時鐘和D觸發器(或鎖存器)來實現，或其它類似功能的電路來實現。本實施例中，該計時電路以但不限于一連接一時鐘CLK的若干逐級連接的D觸發器為例來實現，如圖3所示的兩級為例，各個D觸發器的數據輸入端連接各自的負輸出端并進而連接到下一級D觸發器的時鐘輸入端，第一級D觸發器的時鐘輸入端接所述時鐘，最后一級D觸發器的負輸出端即為計時輸出端。所述時鐘的頻率可以根據負載環境的變化來適當調整。若負載重，則頻率調慢些。在一般情況下，I微秒左右脈寬的驅動信號對目前大部分的環境條件均有效。這樣，在本最佳實施例中當設置時鐘為4MHz時，經D觸發器I1、12輸出的信號周期為I微秒。
[0021]該沿偵測及計時電路102還包括一個D觸發器13和一個反相器14，該反相器14的輸入端連接所述發射器使能信號端DE，該D觸發器13的數據輸入端接地，正輸出端Q連接所述邏輯控制電路；所述計時電路的計時輸出端連接到所述D觸發器13的時鐘輸入端。所述反相器14的輸出端同時連接所述各個D觸發器和所述D觸發器13的復位端CLR，這樣，當發射器使能信號端DE的數據由高跳變為低時，所述計時電路脫離復位狀態開始計時Tl后才有輸出脈沖，所述D觸發器13脫離復位狀態等待Tl時長后因所述輸出脈沖而輸出低電平，即該D觸發器13在正輸出端Q產生一比所述發射器使能信號端DE輸入信號延遲Tl的延遲信號。所述沿偵測及計時電路102還可以用包括非門、或門、與門、或非門、與非門、鎖存器、觸發器在內的其它電路來實現。
[0022]如圖3所示，所述邏輯控制電路103包括一個輸入端分別電連接發射器使能信號端DE和沿偵測及計時電路的輸出端的第一或門17，該第一或門17的輸出端為該邏輯控制電路的第一輸出端；還包括一個輸入端連接所述沿偵測及計時電路的輸出端的非門15，該非門15的輸出端與所述發射器使能信號端DE分別連接到一個或非門19的兩個輸入端，該或非門19的輸出端與數據輸入端DI分別連接到一個第二或門16的兩個輸入端，該第二或門16的輸出端為該邏輯控制電路的第二輸出端。這里，第一或門17和第二或門16在特定情況下實現了對信號的選擇輸出，該選擇輸出功能也可以用其它電路例如選擇開關來替代實現。圖4示意了本實施例下轉換速率增強電路101的信號輸出，以所述發射器使能信號端DE輸入信號經歷高-低-高電平變化為例。當該所述發射器使能信號端DE輸入信號由高變為低時，轉換速率增強電路101的第一輸出信號為延遲Tl的延遲信號DE_E，第二輸出信號OUT包括一個Tl時長的高電平脈沖(其它時段的信號可以決定于數據輸入端DI的輸入，圖4示意了該發射器使能信號端DE輸入信號為低期間，第二輸出信號OUT輸出所述高電平脈沖后再輸出同DI輸入相關的信號，實際因此時發射器處于禁止狀態，OUT輸出高電平脈沖后的后續變化是不影響A或B端的輸出)，用來替代外部電阻式驅動，以便高轉換速率地快速將端口 A、B的數據置為“I”；當該所述發射器使能信號端DE輸入信號轉為高電平后，轉換速率增強電路101的第一輸出信號與發射器使能信號端DE輸入信號相同為高電平，第二輸出信號OUT取決于數據輸入端DI的輸入。
[0023]實際上若將本最佳實施例中的所述沿偵測及計時電路102的輸出信號換個形式，例如但不限于輸出Tl時長負脈沖，則所述邏輯控制電路103也可以相應更換邏輯門形式及電路連接方式來實現對輸出信號的選擇切換，這些基于本發明構思的電路也將落入本發明專利保護范圍。
[0024]如圖2所示，本發明方法還在所述邏輯控制中增加一個使能控制機制，決定是否對該無極性RS485接口電路實現轉換速率增強。具體如圖3所示，所述邏輯控制電路還包括一個分別電連接所述第一或門17和或非門19的控制輸入端FT_EN，該控制輸入端FT_EN或者接地或者接電源。假定設置控制輸入端FT_EN為高電平則轉換速率增強電路101開啟使能，為低電平則轉換速率增強電路處于禁止工作狀態，則可以具體連接為:所述沿偵測及計時電路的輸出端和控制輸入端FT_EN分別連接與門的輸入端，通過該與門的輸出端來電連接第一或門17的輸出端；所述控制輸入端FT_EN經第二非門IlO來電連接所述或非門19的第三輸入端。
[0025]圖6示意了傳統RS485的應用方案。為了解決轉換速率的問題，通常需要三個光電耦合器來完成無極性RS485通信，具體如:UART串口發送端TXD和接收端RXD分別通過光電耦合器U4和U2接入RS485接口芯片U3的DI端和RO端，增加一個外部使能端EN使其通過光電耦合器Ul接入該接口芯片U3的發射器使能信號DE端。可見，由于多了 一個外部使能端端口 EN，該方案無法很好兼容UATR串口通信。如圖5的本發明方案由于采用內置轉換速率增強電路，不僅可以減少一個光電耦合器，也很好兼容了 UATR串口通信。
[0026]經過仿真實驗，本發明電路可以成功應用于無極性RS485接口電路或無極性RS485接口芯片。所述控制輸入端FT_EN的設置，可以節省芯片的開發成本的同時豐富芯片的類型。
[0027]綜上所述，本發明的結構特征及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明在目的及功效上均具有實施的進步性。
[0028]以上說明僅為本發明的優選實施例而已，不能用來表達限定本發明所實施的范圍，即凡根據本發明權利要求所作的等效變化與修飾，皆應屬于本發明專利涵蓋的范圍內。
【權利要求】
1.一種無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的方法，其特征在于，包括: 監測該無極性RS485接口電路的發射器使能信號端DE的輸入信號的步驟； 當且僅當所述輸入信號由高電平變化為低電平時，啟動邏輯控制來產生一比該輸入信號延遲Tl的延遲信號及一持續Tl時長的高電平脈沖直至該輸入信號恢復高電平為止的步驟，從而實現轉換速率增強；該延遲信號用來暫時替代由發射器使能信號端DE輸入的所述輸入信號，在所述Tl時長內該高電平脈沖用來替代由該無極性RS485接口電路數據輸入端DI輸入的信號，其中，Tl為預定時長。
2.如權利要求1所述無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的方法，其特征在于:所述Tl設定為小于或等于10微秒。
3.如權利要求1所述無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的方法，其特征在于:在所述邏輯控制中增加一個使能控制機制，決定是否對該無極性RS485接口電路實現轉換速率增強。
4.一種無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的電路，傳輸來自該無極性RS485接口電路兩個輸入端，即發射器使能信號端DE和數據輸入端DI的信號；其特征在于:包括一連接該兩個輸入端的邏輯控制電路和一連接所述發射器使能信號端DE的沿偵測及計時電路，該沿偵測及計時電路的輸出端連接該邏輯控制電路的又一輸入端；所述邏輯控制電路通過兩個輸出端或者傳輸輸出來自所述無極性RS485接口電路兩個輸入端的信號，或者輸出一比發射器使能信號端DE輸入信號遲滯Tl的延遲信號和一持續Tl時長的高電平脈沖，其中，Tl為預定時長。
5.如權利要求4所述無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的電路，其特征在于:所述沿偵測及計時電路包括一計時電路，受控產生所述Tl時長的計時；該計時電路包括若干逐級連接的D觸發器，各個·D觸發器的數據輸入端連接各自的負輸出端并進而連接到下一級D觸發器的時鐘輸入端，第一級D觸發器的時鐘輸入端接所述時鐘，最后一級D觸發器的負輸出端為該計時電路的輸出端。
6.如權利要求5所述無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的電路，其特征在于:所述沿偵測及計時電路還包括一個D觸發器13和一個反相器14，該反相器14的輸入端連接所述發射器使能信號端DE，該D觸發器13的數據輸入端接地，正輸出端Q連接所述邏輯控制電路；所述計時電路的輸出端連接到所述D觸發器13的時鐘輸入端；所述反相器14的輸出端同時連接所述計時電路的各個D觸發器和所述D觸發器13的復位端CLR。
7.如權利要求4或6所述無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的電路，其特征在于:所述邏輯控制電路包括輸入端分別電連接發射器使能信號端DE和沿偵測及計時電路的輸出端的一第一或門17,該第一或門17的輸出端為該邏輯控制電路的第一輸出端；還包括輸入端連接所述沿偵測及計時電路的輸出端的一非門15，該非門15的輸出端與所述發射器使能信號端DE分別連接到一或非門19的兩個輸入端，該或非門19的輸出端與數據輸入端DI分別連接到一第二或門16的兩個輸入端，該第二或門16的輸出端為該邏輯控制電路的第二輸出端。
8.如權利要求7所述無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的電路，其特征在于:所述邏輯控制電路還包括分別電連接所述第一或門17和或非門19的一控制輸入端FT_EN，該控制輸入端FT_EN或者接地或者接電源。
9.如權利要求8所述無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的電路，其特征在于:所述沿偵測及計時電路的輸出端和控制輸入端FT_EN分別連接與門的輸入端，通過該與門的輸出端來電連接第一或門17的輸出端；所述控制輸入端FT_EN經第二非門16來電連接所述或非門19的第三輸入端。
10.一種無極性RS485接口電路或無極性RS485接口芯片，包括兩個輸入端，即發射器使能信號端DE和數據輸入端DI，其特征在于:還包括如權利要求4~9所述的無極性RS485接口電路實現轉換速率增強的電路`。
【文檔編號】H03K19/0175GK103716031SQ201310189583
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年5月21日 優先權日:2013年5月21日
【發明者】胡術云, 王述前 申請人:深圳市匯春科技有限公司