Адаптер USB в RS485

FT232 представляет собой преобразователь USB в последовательные интерфейсы.Питание основных блоков, используемых в своей структуре, микросхема получает из шины USB, имеющей уровень напряжения +5 В. Однако уровень сигналов UART интерфейса и выводов CBUS составляет +3,3 В. Это напряжение поступает на микросхему на отдельный вход питания (VCCIO) и через встроенный в структуру стабилизатор напряжения формирует уровень сигналов. Рисунок 3.1 – Условное графическое обозначение FT232RLVCC – входпитания, VCCIO – входпитания UART–интерфейсасхемы, USBDM, USBDP – сигнальныевходыотшины USB, RESET – входвнешнегосброса, TEST – входтест-режима, OSCI, OSCO – входивыходвнешнегогенератора, AGND, GND – заземление, NC – неиспользуемыевыводы, TXD, RXD, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, RI – выходы UART сигналов, 3V3OUT – выходпитания UART–интерфейсасхемы, CBUS0…CBUS4 – специализированныевыходы.Также в микросхеме предусмотрен вывод для управления внешними ТТЛ-устройствами. Управление такими устройствами осуществляется в ключевом режиме с помощью полевого p-канального транзистора.Микросхема снабжена двумя информационными выводами сигнальных линий шины USB и набором сигнальных цепей стандарта RS 232, приемо-передатчиками интерфейсов USB и UART, обработчиками данныхРисунок 3.2 – Функциональная схема микросхемыТакже в микросхеме предусмотрен вывод для управления внешними ТТЛ-устройствами. Управление такими устройствами осуществляется в ключевом режиме с помощью полевого p-канального транзистора. Открытие - закрытие транзистора осуществляется подачей сигнала на затвор, который соединен с выводом микросхемы CBUS3 (PWREN). Этот вывод инверсный – когда на нем формируется уровень логического нуля, потенциал на затворе транзистора становится меньше порогового значения. Для p-канального ПТ такое состояние является открытым. Поэтому на стоке транзистора будет логическая единица – так как исток транзистора подключен к +5В и через открытый транзистор протекает ток. Логический ноль на выходе PWREN появляется, когда происходит передача/прием через шину USB. Наличие логической единицы на этом выходе говорит о том, что устройство USB приостановлено. 3.2 Блок ввода и вывода данныхДанный блок можно разделить на две части. Первая часть – разъем для ввода/вывода данных, передаваемых по шине USB. Разъем может быть любого типа – это решает разработчик. Для экономии места на печатной плате можно использовать разъем типа B (обычный либо миниатюрный варианты). Разъем USB напрямую подключен к микросхеме преобразователя интерфейсов FT232. Провод питания оснащен LC-фильтром. В качестве катушки индуктивности используется чип типа «ферритовая бусина». Это чип индуктивный фильтр предназначен для подавления электромагнитных помех. Вторая часть блока ввода/вывода – выводы к кабелям интерфейсов. В качестве этого могут быть использованы стандартизированные разъемы, как, например, разъем RS 232 типа DB–9. Также могут быть использованы нажимные клеммники. Использование клеммников обосновано тем, что не все сигналы интерфейсов могут быть использованы (часто в интерфейсе RS 232 используются 3-4 сигнала), либо кабель, используемый для передачи данных отличается от стандартного или не имеет соответствующего разъема для подключения (например, для интерфейса RS 485 подойдет любой экранированный кабель типа витая пара с волновым сопротивлением 120 Ом). 3.3 Блок индикацииЭтот блок включает в себя 4 светодиода для сигнализации процессов, происходящих в устройстве. Индикатор DL1 подключен к полевому транзистору в цепи формирования управляющих сигналов для внешних цепей. Включение и отключение светодиода производится посредством сигналов на выходе PWREN, который подключен к затвору транзистора. Светодиод включен при наличии логического нуля на выходе PWREN и выключен при логической единице. Свечение индикатора показывает, что передачи данных через устройство не происходит (находится в режиме ожидания), а погасший индикатор – что устройство настроено на шину USB. Индикаторы DL2 и DL3 подключены анодами к питанию и катодами к выводам TxLED и RxLED микросхемы FT232RL. Эти выходы инверсные: появление логического нуля включает светодиоды, а логической единицы – выключает их. Вывод TxLED, а соответственно индикатор DL2 сигнализируют о работе передатчика (то есть данные передаются с шины USB). Вывод RxLED, а соответственно индикатор DL3 сигнализируют о работе приемника (то есть данные передаются в шину USB). Индикатор DL4 подключен трем логическим элементам И-НЕ и включается при наличии логического нуля на катоде. Элементы И-НЕ формируют сигналы включения/отключения индикатора от двух выводов схемы FT232RL – DTR и TxDEN. Сигнал DTR показывает, что устройства DTE и DCE подключены друг к другу с последующим обменом данными. Вывод TxDEN формирует сигнал разрешения работы приемопередатчика интерфейса RS 485. Это необходимо для организации полудуплексного режима обмена данными. Поэтому наличие сигнала на TxDEN и DL4 сигнализирует о передаче данных при помощи интерфейса RS 485. 3.5Драйвер стандарта RS-232Примером таких микросхем являются микросхема МАХ220, фирмы MAXIM, или ADM232, фирмы AnalogDevices. Остановимся на микросхеме ADM232, так как она имеет меньшую стоимость. Микросхема ADM232A[15] представляет собой высокоскоростной приемопередатчик, работающий от источника питания плюс 5 В. Она имеет в своем составе два приемника и два передатчика сигналов. Микросхема преобразует стандартные уровни логического нуля и единицы интерфейса RS-232 в стандартные ТТЛ/КМОП уровни при приеме, и совершает обратное преобразование при передаче. На рисунке 3.2 приведена стандартная схема включения микросхемы ADM232. Рисунок 3.3 – Схема включения микросхемы ADM 232Вывод 7 данной микросхемы используется для приема информации от ЭВМ, которая после преобразования уровня в стандартный ТТЛ/КМОП уровень, передается на вывод 10 данной микросхемы и далее на вход микроконтроллера. Припередачи информации из микроконтроллера в ЭВМ используются соответственно выводы 9 и 8 данной микросхемы. Таблица 3.1 – Технические параметры позиции ADM232Количество приемо/передатчиков2/2Скорость передачи, кбит/с220Напряжение питания,В5Количество внешних конденсаторов5Тип корпусаSO16Температурный диапазон,С-40…85Номинальная емкость внешних конденсаторов, мкФ0.13.6Изолированный приемопередатчик RS-485 MAX3535eMAX3535E/MXL1535E изолированные полнодуплексные приемопередатчики стандарта RS-485/RS-422, обеспечивающие гальваническую развязку сети и логики управления. Отличительные особенности:Напряжение изоляции 2500 Вольт за счет встроенных высоковольтных конденсаторов Дуплексный интерфейс RS-485/RS-422 с гарантированной скоростью передачи данных 1000 кБит/сДиапазон напряжений питания MAX3535E 3...5.5 Вольт MXL1535E 4.5...5.5 Вольт Возможность подключать до 256 приемопередатчиков на одну шину Защита от электростатического разряда ±15 кВольтВывод управления ограничением скорости нарастания выходного сигнала дляснижение электромагнитного излучения Функция определения пробоя изоляционного барьера Защита от короткого замыкания Функция отключение по температуре Данная микросхема позволяет организовать соединение на скорости до 1 Мбит/счерез изолированный барьер для случая, когда потенциалы «земли» могут сильно отличаться. Изоляция достигается за счет интегрированных высоковольтных конденсаторов. В микросхему также интегрирован драйвер управления внешним трансформатором, что позволяет использовать внешний трансформатор для организации связи.Микросхема MAX3535E включает в себя один дифференциальный драйвер управления сетью, один приемник, а также внутренние схемы для коммутации сигналов в соответствии со стандартом RS-485. Сопротивление микросхемы составляет 1/8 от стандартногосопростивления единичной нагрузки, что позволяет подключить до 256 устройств на одной шине.Входы микросхемы имеют защиту от высоковольтных импульсов (до ± 15 кВ).Рисунок 3.4 – Структурная схема и схема типового включения MAX3535EРисунок 3.5 – Цоколевка микросхемыМикросхема MAX3535E имеет защитную схему ограничения скорости нарастания сигнала, что эффективно снижает электромагнитные помехи. Поддерживается возможность «горячего» подключения устройств к сети .MAX3535E работает с одним +3 В до +5.5 V источник питания. Есть возможность использоватьТаблица 3.2 – Основные технические характеристики микросхемыСкорость (макс.),МБод1 ИнтерфейсRS-422 Tx,шт1 Каналов,шт1 Rx,шт1 VISO,В2500 Устройств на шине256 Rx/TxEnableДа tPHL (макс.),нс895 ESD защита,кВ15 tPLH(макс.),нс895 VCC,Вот 3 до 5.5 ICC,мА29 TA,°Cот -40 до 85 КорпусSOIC-28Блок согласования уровней напряжения. Так как сигналы, сформированные преобразователем интерфейсов RS-232 – UART, имеют уровень напряжения 12 В, а большинство используемых цифровых микросхем работают с уровнем ТТЛ-логики, то есть 5 В, необходимо согласовать уровни напряжений. С этой задачей справляется преобразователь логического уровня. Преобразователь состоит из буферных элементов А и В. Буферные элементы А имеют питание 𝑈𝐴, а буферные элементы В имеют питание 𝑈𝐵. Микросхема имеет вход управления направлением передачи данных DIR и вход разрешения работы схемы OE, которые соединены с логическими элементами И. Вход OE имеет активный низкий уровень и разрешает работу схемы при наличии на н ем логического нуля. Вход DIR управляет буферными элементами, подавая сигналы на входы разрешения работы соответствующих элементов. Рассматриваемый преобразователь интерфейсов имеет два преобразователя логических уровней. Один преобразователь включен на передачу данных, другой – на прием (относительно приема/передачи данных USB). Это позволяет значительно упростить схему преобразователя интерфейсов.Сигнал RingIndicator подключается отдельно от микросхемы. Это сигнал вызова (звонка). То есть он передает сигнал запроса передачи данных от удаленных устройств. В частности, наиболее часто он использовался для модемов – устройств передачи данных через телефонные линии. Уровни напряжений для телефонных линий другие, чем для обычной цифровой логики. Поэтому сигнал RI имеет защиту от «скачков» импульсов в виде диодов Шоттки. Сигнал от удаленного устройства ограничивается, преобразуется в сигнал стандартной величины ТТЛ-логики и передается на преобразователь. Переключение между видами интерфейсов осуществляется пользователем при помощи переключателей: если переключатели находятся в положении «включено», то организуется передача данных по интерфейсу RS 485 34 (одна витая пара проводов), если в положении «выключено» – по интерфейсу RS 422 (две раздельные линии для приема и передачи). Для правильной организации интерфейса RS 485 также необходимо наличие согласующего сопротивления (терминальный резистор). Этот резистор необходимо включать при передаче данных на дальние расстояния. Он снижает эффект длинных линий, который заключается в том, что электрический сигнал имеет свойство отражаться от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Для коротких линий этот эффект незаметен, но на длинных линиях фронт отраженного сигнала может исказить следующие сигналы. Терминальный резистор «гасит» отраженные электромагнитные волны. В схеме реализовано наличие терминального резистора, и оно определяется пользователем при помощи переключателей.Регулятор напряжения. Универсальный преобразователь интерфейсов предназначен для согласования интерфейса USB и устройств с интерфейсом UART. Такие устройства могут быть любого функционального назначения. Соответственно, уровни напряжения питания различных схем также могут сильно различаться. Для того чтобы учесть это, в схему преобразователя интерфейсов должен быть встроен регулятор питания. В качестве такого устройства используют микросхему линейного регулятора LM1117 с набором резисторов. Резисторы необходимы для того, чтобы создать необходимые уровни напряжения на выходе регулятора при по- мощи делителя. 3.7 Разработка принципиальной схемыНа рисунке 3.6представлена типовая схема подключения микросхемы FT232R к порту USB.Рисунок 3.6 – Подключение микросхемы FT232R к порту USBКак можно видеть по данному рисунку, при таком подключении питание микросхема получает по шине USB. При питании от USB ток потребления не должен превышать 100 мА на одно устройство. Компоненты с током потребления более 100 мА должны подключаться через отдельный стабилизатор. Для управления питанием других компонентов схемы в FT232R предусмотрен вывод "PWREN". "PWREN" подключается в затвор MOSFET ключа и с его помощью подключает и отключает питание компонентов схемы.Встроенная схема формирования сигнала сброса генерирует импульс длительностью около 5 мс при превышении напряжением питания уровня 3,5 В. Сигнал сброса используется для внутренних цепей FT232R и имеет дополнительно: вход "RESET" для принудительного сброса микросхемы преобразователя от внешнего устройства и выход "RSTOUT" для сброса других микросхем на плате.(Рисунок 3.7)Рисунок 3.7 – Формирование сигнала ResetВо время действия сигнала сброс выход "RSTOUT" находится в высокоимпедансном (Z) состоянии, а после окончания сброса на выводе "RSTOUT" устанавливается напряжение 3,3 В. Это позволяет использовать "RSTOUT" для подключения подтягивающего (pull-up) резистора на линию DP USB шины при необходимости применения задержанной энумерации (задержки при подключении и идентификации устройства).Кроме этого вход "RESET" может быть подключен к USB линии питания через резистивный делитель. В этом случае, при пропадании питания USB хоста или хаба на входе "RESET" будет низкий уровень, FT232R перейдет в состояние сброса и выводы UART интерфейса перейдут в высокоимпедансное состояние.При подключении к хосту нескольких устройств на базе FT232R каждому из них назначается свой виртуальный COM порт, а серийные номера, VID и PID USB, строки с кратким описанием устройства должны быть предварительно запрограммированы в EEPROM. Программирование памяти осуществляется непосредственно в схеме по USB интерфейсу с помощью специальной утилиты, которая можно скачать с сайта производителя.Микросхема преобразователя уровня сигналов TTL/RS485MAX3535 имеет раздельные линии разрешения работы и для приемника и для передатчика сигнала (выводы 2 и 3 соответственно микросхемы SP481 наРисунок 3.8). Использование шины RS485 при обмене данными предполагает активность передатчика микросхемы SP481 только в момент передачи какой-либо информации. В остальные моменты времени активен приемник (устройство «слушает» шину). Вывод CBUS2 микросхемы FT232R, сконфигурированный как TXDEN#1, служит именно для этой цели, т.е. для активизации передатчика микросхемы MAX3535 в момент передачи информации по линии TXD порта USART. Для управления же приемником в рассматриваемой схеме используется вывод CBUS3, сконфигурированный как PWREN#2. Приемник микросхемы SP481 включается при наличии НИЗКОГО уровня сигнала на входе разрешения его работы (т.е., на выводе 2), поэтому подключение данного входа к линии PWREN# микросхемы FT232R позволяет автоматически отключать приемник в спящем режиме («SuspendMode»).Рисунок 3.8 – Пример соединения микросхемы FT232 и драйвера сети RS-485По умолчанию линии CBUS2 и CBUS3 микросхемы FT232R сконфигурированы именно как TXDEN# и PWREN# соответственно.Вывод CBUS2, сконфигурированный как TXDEN#, является выходом микросхемы FT232R. В момент передачи данных по линии TXD принимает состояние логической единицы на всё время передачи посылки. В остальные моменты времени принимает состояние логического нуля.Вывод CBUS3, сконфигурированный как PWREN#, является выходом микросхемы FT232R. После определения устройства USB-портом принимает состояние логического нуля. В спящем режиме («SuspendMode») принимает состояние логической единицы.В схеме на рисунке 3.8 данные, передаваемые микросхемой FT232R, также попадают и в приемную часть микросхемы SP481 (эффект «эха»), что является особенностью схемы, приведенной в документации на м/с FT232R. Имеется несколько вспомогательных выходов. Высокий уровень на выходе USBEN сигнализирует о завершении процесса инициализации микросхемы по USB. Если некоторое время обмена данными не происходит, микросхема автоматически переходит в "спящий режим", о чем свидетельствует низкий уровень на выходе SLEEP. Аналогичные уровни на выходах TXLED и RXLED показывают, что идет соответственно передача или прием данных.(Рисунок 3.9)Рисунок 3.9 – Индикация режима работыНапряжение питания микросхемы FT232 (VCC) - 4,4...5,25 В, потребляемый ток - не более 50 мА в рабочем и 250 мкА в спящем режиме. Если микросхему питают напряжением, поступающим по USB, ее вывод 14 (PWRCTL необходимо соединить с общим проводом (GND), если устройство имеет собственный источник питания - с цепьюVCC. Логические выходы микросхемы рассчитаны на ток до 4 мА (вытекающий) и до 8 мА (втекающий).Микросхема ADM232 подключается в соответствии с рекомендуемой схемой включения.ЗаключениеВ работе произведен обзор протоколов USB – RS485. Рассмотрены преимущества и недостатки, основные схемы подключения и особенности реализации. Предложено несколько вариантов реализации адаптера USB – RS485. Сделан вывод, что оптимальным и достаточно универсальным способом преобразования является преобразование с промежуточным преобразованием коммутируемых сигналов в сигнал UART. Для этих целей удобно использовать специализированные микросхемы, в частности FT232RL и МАХ485, на которых и реализована принципиальная схема адаптера.Ввиду большой сложности и комплексности проведения работ по созданию средств радиотехники, одновременного участия многих исполнителей, необходимости параллельного выполнения работ, зависимости начала одних работ от результатов других в данном разделе применялись методы сетевого планирования и управления (СПУ). При проектировании использовалась современная элементная база, а также применялись последние достижения проектирования электронных систем.ЛитератураБолтон У. Карманный справочник инженера–метролога. М.: Издательский дом «Додэка–XXI», 2002. 384 с.Агуров П.В. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. СПб.: БХВ–Петербург, 2004. 576 с.Гук М.Ю. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. СПб.: Питер,2003. 528 с.Описание стандарта EIA 485 (RS 485). Технический сайт компании«Ватер Лаб». [Электронный ресурс]. URLhttp://www.musidora.ru/format485.htmDatasheetLM1117. Сайткомпании «Texas Instruments Incorporated» [Электронныйресурс]. URL: http://www.ti.com/Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов / под ред. Н.А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.FT232R USB UART I.C. datasheet.–atmel, june 2008.– режим доступа: http://ftdi.com.Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств.– М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.–528 с.ADM 222/ADM232A/ADM242. RS-232 Drivers/Receivers datasheet.– analog devices, october 2001.MAX 13410E. RS-485 Transceiver. datasheet.– maxim, october 2007.Автомобильный справочник / Пер. сангл. - 2-е ИЗД., перераб. И доп. - М.: ЗАО «КЖИ За рулем», 2004.- 992 с.Солодянкин С. RS–485 против Ethernet в системах СКУД: попробуем разобраться?// Алгоритм безопасности.–2008. № 4.– С. 32-35Бень Е.А. RS-485 для чайников//2003.– режим доступа: http://www.mayak-bit.narod.ru/index.htmlПриложение АПриложение Б