Микросхемы драйверов интерфейса RS-232c
 

Н. Ракович

Микросхемы драйверов интерфейса RS-232c

Широкое распространение микроконтроллеров и устройств на их основе вновь повысило интерес разработчиков к интерфейсу RS-232c как к предельно простому последовательному каналу управления микроконтроллером с помощью компьютера. Как следствие - большое количество преобразователей уровня для RS-232c (они же драйверы), выпускаемых многими фирмами.

Использование драйвера между микроконтроллером и ПК вызвано необходимостью преобразования уровня RS-232c (по стандарту RS-232 сигнал передаётся уровнями -3...-15 В (логическая "1") и +3...+15 В (логический "0")) в стандартные логические уровни TTL.

Среди фирм, выпускающих преобразователи уровня для интерфейса RS-232c, бесспорным лидером является MAXIM (63 вида ИС). Все эти микросхемы можно условно разделить на два класса - ИС для работы с гальванической развязкой и без неё, но с защитой от статического электричества.

Для тех, кто не мыслит интерфейс RS-232c без гальванической развязки (оптронной или трансформаторной - не имеет значения), фирма MAXIM выпускает ИС МАХ250/МАХ251 и МАХ3250.

Набор микросхем МАХ250/МАХ251 является основой сдвоенного приёмопередатчика с гальванической развязкой для интерфейса RS-232c (рис. 1). Комбинируя возможности каждой ИС, можно значительно снизить стоимость и сложность такого интерфейса. Четыре дешёвых оптопары, четыре конденсатора, диод и трансформатор позволяют получить приёмопередатчик со скоростью 19,2 кбод. Для работы на более высокой скорости необходимы только быстродействующие оптопары. Кроме драйверов и формирователей для оптопар, в состав МАХ250/МАХ251 входит и драйвер для трансформатора питания со средней точкой. Питание +5 В, режим пониженного потребления (он же "спящий", 5 мкВт) и управление выходом с тремя состояниями - стандартный "джентельментский" набор. Областей применения достаточно: передача данных с высоким уровнем шума, производство, связь с аналоговыми схемами и так далее.

Схема подключения МАХ250/251
Рисунок 1. Схема подключения МАХ250/251

МАХ3250. Микросхема МАХ3250 предназначена для передачи данных по двум каналам (два приёмника и два передатчика) со скоростью до 250 Кбит/с по протоколам EIA-TIA-232 и V.28/V.24 при разнице потенциалов между RS-232 и логикой до ±50 В. Это делает данный прибор практически идеальным для работы в условиях большого уровня шумов и высокого синфазного напряжения и позволяет ему выжить даже при коротком замыкании RS-232 на +24 или ±48 В. В случае превышения допустимого синфазного напряжения на любом входе RS-232 на выходе FAULT (с открытым стоком) появляется сигнал, который может хоть светодиодом управлять, хоть процессором для запрета работы в таких условиях. Таким образом, МАХ3250 представляет собой недорогую замену приёмопередатчикам с оптоэлектронной развязкой (типовая схема подключения - на рис. 2). При переходе МАХ3250 в "спящий" режим ток потребления снижается до 20 мкА, а входы приёмника переходят в высокоимпедансное состояние, что позволяет подключать этот прибор к другим интерфейсам (IrDA, RS-232, RS-485).

Типовая схема подключения МАХ3250
Рисунок 2. Типовая схема подключения МАХ3250

Преобразователи уровня, которые будут рассмотрены далее, имеют две особенности: не нуждаются в гальванической развязке и имеют функцию AutoShutdown. Необходимость в гальванической развязке отпала, так как все входы приёмников и выходы передатчиков защищены от статического электричества ±15 кВ, что позволяет применять эти ИС в жёстких промышленных условиях. Все драйверы RS-232 выдерживают ±15 кВ по тесту IEC1000-4-2 Air Gap Discharge Test (разряд через воздушный промежуток) и ±8 кВ по тесту IEC1000-4-2 Contact Discharge Test (контактный разряд).

Инженеры фирмы MAXIM разработали современную структуру защиты от статики во всех состояниях ИС: режим нормальной работы, режим пониженного энергопотребления, отключение питания. После воздействия статического электричества микросхемы сохраняют работоспособность, причём эффект “защелкивания” у них отсутствует, что выгодно отличает их от аналогов.

Проверка системы защиты от статического электричества соответствует следующим пунктам:

  • ±15 кВ с использованием модели тела человека (Human Body Model);
  • ±8 кВ с использованием метода контактного разряда по IEC 1000-4-2;
  • ±15 кВ с использованием метода воздушного зазора по IEC 1000-4-2.

Так ли необходима оптопара в этом случае?

Вторая особенность - режим пониженного энергопотребления, в основе которого лежит фирменная разработка AutoShutdown или её последняя версия AutoShutdown Plus. В этом режиме ток потребления составляет 1 мкА (для МАХ3238/МАХ3248 и вовсе 10 нА), и для этого нет нужды в замене существующего BIOS или операционной системы. Благодаря AutoShutdown, прибор автоматически переходит в "спящий" режим в следующих случаях:

  • при отключении кабеля RS-232;
  • передатчик подключенного периферийного устройства отключен;
  • при отсутствии приёма или передачи более 30 с.

Переход в рабочий режим происходит при появлении реального сигнала на любом выводе приёмника или передатчика. Внутреннюю структуру таких преобразователей уровня рассмотрим на примере семейства МАХ322х, которое предназначено в первую очередь для использования в переносных устройствах, периферийном оборудовании и т.п. (вплоть до ноутбуков и мобильных телефонов - если кто-то займётся их разработкой).

Приёмопередатчики МАХ3221Е/МАХ3223Е/МАХ3243Е работают по протоколам EIA/TIA-232 и V.28/V.24, причём обеспечивают скорость передачи 250 Кбит/с даже при падении напряжения питания до +3 В (от +5,5 В). МАХ3221Е содержит один передатчик и один приёмник и является самым маленьким приёмопередатчиком для интерфейса RS-232, МАХ3223Е - два передатчика и два приёмника. В состав МАХ3243Е входит полный последовательный интерфейс из трёх передатчиков и пяти приёмников, а также два всегда активных неинвертирующих выхода приёмника, что позволяет отслеживать внешние устройства без дополнительных проблем со смещением диодов защиты.

Формирование напряжений интерфейса RS-232 в ИС МАХ3221Е/МАХ3223Е/МАХ3243Е решается с помощью внутреннего источника питания, в состав которого входит двойной генератор накачки (заряда), обеспечивающий напряжения +5,5 и -5,5 В при напряжении питания от +3,0 до +5,5 В. Генератор накачки работает в дискретном режиме: включен, если выходное напряжение меньше 5,5 В, и отключен, если выходное напряжение превышает 5,5 В. Внешняя обвязка — 4 миниатюрных конденсатора ёмкостью 0,1 мкФ. Передатчики RS-232 - инвертирующие преобразователи уровня, формирующие из КМОП-уровней 5-В уровни EIA/TIA-232. Они обеспечивают передачу данных со скоростью 250 Кбайт/с (наихудший вариант нагрузки - 3 кОм параллельно с ёмкостью 1000 пФ) и совместимость со связным программным обеспечением типа LapLink или аналогичным. Передатчики могут быть запараллелены для работы с несколькими приёмниками. Полное подключение на примере МАХ3243Е - на рис. 3 (нагрузочные резисторы для передатчиков не нужны!).

Применение МАХ32хх на примере МАХ3243
Рисунок 3. Применение МАХ32хх на примере МАХ3243

Если схема AutoShutdown определяет, что на входах всех приёмников нет действующих сигналов, то передатчики отключаются, а их выходы переходят в высокоимпедансное состояние. При этом генератор накачки отключается, напряжение V+ устанавливается равным напряжению питания, а V- - "земле". Время выхода из режима пониженного потребления составляет порядка 100 мкс.

Приёмники МАХ3221Е/МАХ3223Е/МАХ3243Е выполняют обратную операцию: из сигналов RS-232 делают КМОП-уровни. Каждый приёмник имеет инвертирующий выход с тремя состояниями и может находиться в активном или пассивном состоянии. В режиме пониженного энергопотребления приёмники МАХ3221Е/МАХ3223Е активны, при подаче на вход EN высокого уровня - переходят в высокоимпедансное состояние. Приёмники МАХ3243Е в режиме пониженного энергопотребления находятся в высокоимпедансном состоянии. Ещё одна особенность МАХ3243Е - дополнительный комплементарный выход, который всегда находится в активном состоянии (R2OUTB), что, кстати, является идеальным средством для работы с периферией в системах, где напряжение питания падает до нуля в режиме пониженного энергопотребления (рис. 4).

Работа в режиме пониженного энергопотребления МАХ32хх по сравнению с ИС более ранних выпусков
Рисунок 4. Работа в режиме пониженного энергопотребления МАХ32хх по сравнению с ИС более ранних выпусков

Дальнейшим развитием МАХ3221Е/МАХ3223Е/МАХ3243Е стали микросхемы МАХ3224Е-МАХ3227Е/МАХ3244Е/МАХ3245Е (табл. 1), в которых использована технология AutoShutdown Plus. Помимо этого, в МАХ3224Е-МАХ3227Е есть логический вывод READY, на котором сигнал появляется в случае готовности прибора к передаче.

Таблица 1.

Обозначение Число передатчиков/приёмников Скорость передачи данных, бит/с Вывод READY Auto-Shutdown Plus
МАХ3224Е 2/2 250 k + +
МАХ3225Е 2/2 1 М + +
МАХ3226Е 1/1 250 к + +
МАХ3227Е 1/1 1 М + +
МАХ3244Е 3/5 250 к - +
МАХ3245Е 3/5 1 М - +

В МАХ3225Е/МАХ3227Е/МАХ3245Е предусмотрена передача данных в режиме MegaBaud, при котором обеспечивается скорость 1 Мбит/с (например, ISDN модемы).

В том случае, если вы хотите сэкономить на внешних элементах, оптимальный выбор — МАХ3233/МАХ3235. Для этих ИС нет необходимости в конденсаторах накачки, они уже входят в состав микросхемы. В остальном МАХ3233/МАХ3235 аналогичны MАХ3221Е/МАХ3223Е/МАХ3243Е (отличие в напряжении питания: +3,0ё3,6 В для МАХ3233Е и +4,5ё5,5 В для МАХ3235).

Если необходимо встроить интерфейс RS-232 в малогабаритное устройство с автономным питанием, то эта задача решается применением МАХ3228Е/МАХ3229Е. Рабочие характеристики ИС этой серии сохраняются при изменении питания от +5,5 до 2,5 В (на пряжение питания одного литиевого элемента), а корпус UCSP практически устранит проблему размещения. Для желающих конфигурировать логические уровни на выходах приёмников и входах передатчиков в этих ИС реализован отдельный вход питания VL для логического интерфейса: при подаче на этот вход напряжения от +1,65 В до напряжения питания обеспечивается совместимость МАХ3228Е/МАХ3229Е с различной логикой (ТТЛ, КМОП и т.д.). В состав МАХ3228Е входят два приёмника и два передатчика, МАХ3229Е - в два раза меньше.

Кроме оригинального корпуса, в этих ИС специально для устройств с автономным питанием применена двухрежимная накачка: при напряжении питания больше +3,7 В генератор накачки формирует напряжение интерфейса +5,5 и -5,5 В и работает аналогично МАХ322х (если выходное напряжение меньше ±5,5 В, то накачка включена, если больше - отключена). При напряжении питания меньше +2,85 В генератор накачки формирует напряжение ±4,0 В. Для выбора режима используется схема переключения с гистерезисом 400 мВ в точке переключения. Такой большой гистерезис позволяет избежать случайного переключения режимов при бросках питания. В качестве примера возьмём систему с питанием от трёх NiMh-элементов: при новых элементах напряжение питания составляет Vcc= +3,6 В и генератор накачки формирует выходное напряжение ±5,5 В. По мере разряда элементов выходное напряжение остаётся на этом уровне до тех пор, пока напряжение питания не упадёт ниже +3,1 В. При таком напряжении точки регулировки выходного напряжения переключаются на ±4,0 В. Если напряжение питания возрастает с +2,5 до +3,5 В (зарядка аккумуляторов), то выходное напряжение остаётся ±4,0 В. При превышении +3,5 В генератор накачки формирует ±5,5 В.

Для любителей "быстрой езды" фирма MAXIM выпускает приёмопередатчики со скоростью передачи 460 Кбит/с. Самые простые (один передатчик и один приёмник) RS-232-совместимые ИС - МАХ3311Е/МАХ3313Е с напряжением питания +5 В и одним инвертирующим генератором накачки (необходимы только три конденсатора) (рис. 5). Особенностью МАХ3311Е является отключение генератора накачки в режиме пониженного энергопотребления, "поддергивание" напряжения V- до уровня земли и отключение выхода передатчика. В МАХ3313 "изюминка" заключается в выводе INVALID, высокий уровень на котором появляется при наличии активного сигнала RS-232, сообщая таким образом хосту, что периферийное устройство подключено к связному порту. Выпускаются МАХ3311Е/МАХ3313Е в 10-выводных корпусах mМАХ.

Блок-схема МАХ3311Е/МАХ3313Е
Рисунок 5. Блок-схема МАХ3311Е/МАХ3313Е

Семейство МАХ3316Е-МАХ3319Е работает при напряжении питания +2,5 В (реально от +2,25 до +3 В), хотя может и при +6 В. Структурная схема ИС приведена на рис. 6 (на примере МАХ3318Е), а некоторые параметры - в табл. 2.

Структурная схема МАХ3316Е-МАХ3319Е
Рисунок 6. Структурная схема МАХ3316Е-МАХ3319Е (на примере МАХ3318Е)

Таблица 2.

Обозначение Число передатчиков/приёмников Скорость передачи данных, Кбит/с Вывод READY Shutdown Auto-Shutdown Plus
МАХ3316Е 2/2 460 - - -
МАХ3317Е 2/2 460 - + -
МАХ3318Е 2/2 460 + - +
МАХ3319Е 1/1 460 + - +

Работа в режиме пониженного энергопотребления аналогична работе МАХ3221Е/МАХ3223Е/МАХ3243Е, только время выхода из этого режима составляет 30 мкс.

Фирма MAXIM выпускает компоненты, которые являются практически идеальными для кабелей передачи данных, модемов и так далее. Это МАХ3238/МАХ3248 и МАХ3380Е/МАХ3381Е. Во всех этих ИС от статики защищены не только выводы приёмников и передатчиков, но и логические выводы. К этому надо добавить и работу от +3,0 до +5,5 В.

В МАХ3238/МАХ3248 дополнительная идеальность достигнута за счёт микропотребления в режиме ожидания (10 нА!). В составе МАХ3238/МАХ3248 - 5 передатчиков и 3 приёмника (рис. 7). МАХ3238Е предназначена для работы со стандартной логикой, а МАХ3248Е - для работы с уровнями от 0,6 до 1,2 В, что отлично подходит для систем с питанием 1,8 В.

Применение МАХ3238/МАХ3248 в кабеле
Рисунок 7. Применение МАХ3238/МАХ3248 в кабеле

В МАХ3380Е/МАХ3381Е входит два приёмника и два передатчика. Скорость передачи данных в МАХ3380Е составляет 460 Кбит/с, в МАХ3381Е - 250 Кбит/с (для работы при повышенном уровне помех). Напряжение питания полностью совместимо с литий-ионными элементами питания. Дополнительная особенность МАХ3380Е/МАХ3381Е - отдельный вход питания VL для логического интерфейса (как в МАХ3228Е/МАХ3229Е) (рис. 8).

Структурная схема МАХ3380Е/МАХ3381Е
Рисунок 8. Структурная схема МАХ3380Е/МАХ3381Е

В заключение рассмотрим ещё две ИС - МАХ3322Е и МАХ3323Е. Эти приёмопередатчики предназначены в первую очередь для подключения нескольких внешних устройств к одному порту RS-232 (многоточечное подключение) и передачи данных со скоростью 250 Кбит/с (структурная схема на рис. 9). Для этого предусмотрена возможность выбора одного из режимов работы с помощью логического управления RENABLE: стандартный RS-232 с входным сопротивлением 5 кОм (RENABLE = 1) или высокоимпедансный вход (RENABLE = 0). Приёмники находятся в активном состоянии в обоих режимах. При многоточечном подключении выбранный приёмник устанавливается с входным сопротивлением 5 кОм, в то время как остальные находятся в третьем состоянии, сохраняя тем самым стандарт RS-232. Логическое управление передатчиками TXENABLE - подключение передатчика (TXENABLE = 1), отключение (передатчик находится в третьем состоянии) - TXENABLE = 0. Логика работы приведена в табл. 3, а пример подключения - на рис. 10.

Структурная схема МАХ3322Е/МАХ3323Е
Рисунок 9. Структурная схема МАХ3322Е/МАХ3323Е

Пример подключения нескольких МАХ3322Е/МАХ3323Е на одну линию
Рисунок 10. Пример подключения нескольких МАХ3322Е/МАХ3323Е на одну линию

Таблица 3. Логика работы МАХ3322Е/МАХ3323Е

TXENABLE RENABLE SHDN Выход передатчика Выход приёмника Выход приёмника
1 1 0 Высокоимпедансный Высокоимпедансный Высокоимпедансный
1 1 1 Активный Разрешен 5 кОм
1 0 0 Высокоимпедансный Высокоимпедансный Высокоимпедансный
1 0 1 Активный Разрешен Высокоимпедансный
0 1 0 Высокоимпедансный Высокоимпедансный Высокоимпедансный
0 1 1 Высокоимпедансный Разрешен 5 кОм
0 0 0 Высокоимпедансный Высокоимпедансный Высокоимпедансный
0 0 1 Высокоимпедансны Разрешен Высокоимпедансны

В МАХ3322Е/МАХ3323Е предусмотрена возможность программирования входных и выходных уровней через вывод VL (аналогично МАХ3228Е/МАХ-3229Е, МАХ3380Е/МАХ3381Е).

Режим пониженного энергопотребления аналогичен МАХ3221Е/МАХ3223Е/МАХ3243Е со временем выхода из этого режима 50 мкс.

Надеюсь, что представленная информация поможет вам определиться с выбором приёмопередатчиков для RS-232. За подробностями обращайтесь на сайт Rainbow Technologies www.rtcs.ru.

 
Автор документа: Сергей Гаврилюк , http://www.gaw.ru"
Дата публикации: 08.08.2007
Дата редактирования: 08.08.2007
Кол-во просмотров 8473
 
 Все новости одной лентой


подписка на новости

Подпишись на новости!

Продажа силового и бронированного кабеля и провода в Москве



Мероприятия:

17-я международная выставка ChipEXPO - 2019