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.

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).

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!).

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).

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.

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.

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.

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

Таблица 2.

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.

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).

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.

Рисунок 9. Структурная схема МАХ3322Е/МАХ3323Е

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

Таблица 3. Логика работы МАХ3322Е/МАХ3323Е

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.