基于USB接口的RS232/422/485串口模块的制作方法

本发明属于抗恶劣环境计算机总线接口技术领域，具体地说是基于USB接口的RS232/422/485串口模块电路。

背景技术：

串行接口按电气标准及协议来分包括RS232、RS422、RS485等。RS232采取不平衡传输方式，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。RS422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，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(Slave)。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。

RS232、RS422、RS485等接口是目前现场总线、工业现场、抗恶劣环境等应用非常广泛的接口技术，所以涉及到节点构建的快捷性、方便性、维护性、测试性的好坏，将直接影响系统的性能和成本，目前基于USB热插拔方式实现的RS232、RS422、RS485等模块相对较少，而USB接口的快捷方便的应用特性将使其得到更好的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是通过基于USB接口的RS232/422/485串口模块的设计电路，实现基于USB热插拔方式构建RS232/422/485通讯节点或RS232/422/485通讯测试设备，大大提升安装及维护效率，同时通过静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)、电涌破坏等防护设计，提高模块电路在各种RS232/422/485总线环境中的适应能力。

为了实现本发明的目的，提供了基于USB接口的RS232/422/485串口模块，包括依次相连的USB/HUB控制器的上行USB接口电路、USB/HUB控制器和若干个USB信号收发电路，其中每个USB信号收发电路包括USB/UART控制器、RS232接口及UART信号隔离电路、RS422/485收发器的接口电路和保护电路；其中，RS232接口及UART信号隔离电路包括RS232收发器和磁隔离器；USB/HUB控制器与所有USB/UART控制器相连形成USB/HUB控制器和USB/UART控制器的连接电路；

USB/HUB控制器的上行USB接口电路实现了外部主机的USB总线信号接入USB/HUB控制器，USB/HUB控制器和USB/UART控制器的连接电路实现了USB/HUB控制器的下行USB总线和USB/UART控制器的连接，RS232接口及UART信号隔离电路实现了UART信号的RS232接口转换和UART信号的磁隔离转换，RS422/485接口电路实现了隔离后的UART信号的RS422、RS485的接口转换和保护设计。

进一步地优选方案，本发明基于USB接口的RS232/422/485串口模块，所述USB/HUB控制器的上行USB接口电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一集成电路U1、第二集成电路U2、第三集成电路U3；

所述第一集成电路U1的型号为NS-USB-A，第二集成电路U2的型号为MAX3207E，第三集成电路U3的型号为ISP1520BD；

第一集成电路U1的第一引脚和第二集成电路U2的第五引脚相连，第一集成电路U1的第二引脚和第三集成电路U3的第三引脚、第二集成电路U2的第四引脚相连，第一集成电路U1的第三引脚和第三集成电路U3的第四引脚、第二集成电路U2的第一引脚相连，第一集成电路U1的第四引脚和第一电容C1的一端相连并接地，第一电容C1的另一端和第一集成电路U1的第五引脚相连，第一集成电路U1的第四引脚和第二电容C2的一端相连并接地，第二电容C2的另一端和第一集成电路U1的第六引脚相连，第一集成电路U1的第五引脚和第一集成电路U1的第六引脚相连；第二集成电路U2的第二引脚接地，第二集成电路U2的第三引脚和第六引脚置空。

进一步地优选方案，本发明基于USB接口的RS232/422/485串口模块，所述USB/HUB控制器和USB/UART控制器的连接电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第三集成电路U3、第四集成电路U4、第五集成电路U5、第六集成电路U6、第七集成电路U7；

所述第三集成电路U3的型号为ISP1520BD，第四集成电路U4的型号为CP2101，第五集成电路U5的型号为CP2101，第六集成电路U6的型号为CP2101，第七集成电路U7的型号为CP2101；

第三集成电路U3的第十五引脚和第四集成电路U4的第五引脚、第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端接地，第三集成电路U3的第十六引脚和第四集成电路U4的第四引脚、第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接地，第三集成电路U3的第三十六引脚和第五集成电路U5的第五引脚、第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端接地，第三集成电路U3的第三十七引脚和第五集成电路U5的第四引脚、第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端接地，第三集成电路U3的第四十三引脚和第六集成电路U6的第五引脚、第六电阻R6的一端相连，第六电阻R6的另一端接地，第三集成电路U3的第四十四引脚和第六集成电路U6的第四引脚、第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端接地，第三集成电路U3的第四十七引脚和第七集成电路U7的第五引脚、第八电阻R8的一端相连，第八电阻R8的另一端接地，第三集成电路U3的第四十八引脚和第七集成电路U7的第四引脚、第七电阻R7的一端相连，第七电阻R7的另一端接地。

进一步地优选方案，本发明基于USB接口的RS232/422/485串口模块，所述RS232接口及UART信号隔离电路包括第四集成电路U4、第八集成电路U8、第九集成电路U9、第十集成电路U10、第十一集成电路U11、第一连接器E1；

所述第四集成电路U4的型号为CP2101，第八集成电路U8的型号为SP3243EU，第九集成电路U9的型号为ADuM1301，第十集成电路U10的型号为SN74AHC1G04，第十一集成电路U11的型号为ADM3491E，第一连接器E1的型号为PH-1*3S；

第四集成电路U4的第二十八引脚和第八集成电路U8的第十四引脚相连，第四集成电路U4的第二十六引脚和第八集成电路U8的第十三引脚、第九集成电路U9的第三引脚相连，第四集成电路U4的第二十四引脚和第八集成电路U8的第十二引脚、第九集成电路U9的第四引脚相连，第四集成电路U4的第二引脚和第八集成电路U8的第十九引脚相连，第四集成电路U4的第一引脚和第八集成电路U8的第十八引脚相连，第四集成电路U4的第二十七引脚和第八集成电路U8的第十七引脚相连，第四集成电路U4的第二十五引脚和第八集成电路U8的第十六引脚、第九集成电路U9的第五引脚相连，第四集成电路U4的第二十三引脚和第八集成电路U8的第十五引脚相连，第四集成电路U4的第十一引脚和第八集成电路U8的第二十二引脚相连；

第九集成电路U9的第十二引脚和第十一集成电路U11的第二引脚相连，第九集成电路U9的第十三引脚和第十一集成电路U11的第四引脚相连，第九集成电路U9的第十四引脚和第十一集成电路U11的第五引脚、第十集成电路U10的第二引脚相连；

第十集成电路U10的第四引脚和第一连接器E1的第三引脚相连，第十一集成电路U11的第三引脚和第一连接器E1的第二引脚相连，第一连接器E1的第一引脚接地。

进一步地优选方案，本发明基于USB接口的RS232/422/485串口模块，所述RS422/485接口电路包括第九电阻R9、第十一集成电路U11、第二连接器E2、第三连接器E3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一限流器F1、第二限流器F2、第三限流器F3、第四限流器F4；

所述第十一集成电路U11的型号为ADM3491E，第二连接器E2的型号为PH-1*3S，第三连接器E3的型号为PH-1*3S，第一二极管D1的型号为CDSOT23-SM712，第二二极管D2的型号为CDSOT23-SM712，第三二极管D3的型号为CDSOT23-SM712，第四二极管D4的型号为CDSOT23-SM712，第一限流器F1的型号为TBU-CA065-200，第二限流器F2的型号为TBU-CA065-200，第三限流器F3的型号为TBU-CA065-200，第四限流器F4的型号为TBU-CA065-200；

第十一集成电路U11的第十二引脚和第九电阻R9的一端相连，第九电阻R9的另一端和第二连接器E2的第一引脚、第一二极管D1的第一引脚、第一限流器F1的第二引脚相连，第十一集成电路U11的第十一引脚和第三连接器E3的第一引脚、第二二极管D2的第一引脚、第二限流器F2的第二引脚相连，第十一集成电路U11的第十引脚和第三连接器E3的第三引脚相连，第十一集成电路U11的第九引脚和第二连接器E2的第三引脚相连，第二连接器E2的第二引脚和第三二极管D3的第一引脚、第三限流器F3的第二引脚相连，第三连接器E3的第二引脚和第四二极管D4的第一引脚、第四限流器F4的第二引脚相连，第一二极管D1的第二引脚接地，第二二极管D2的第二引脚接地，第三二极管D3的第二引脚接地，第四二极管D4的第二引脚接地。

本发明的优点在于：1)该模块实现了USB接口，可以用USB热插拔方式构建RS232/422/485通讯节点或RS232/422/485通讯测试设备，安装及维护效率大大提升；2)该模块实现了四个串口，每个串口支持RS232、RS422、RS485等接口方式；3)该模块在USB接入端增加了静电放电(ESD)防护设计，在串口输出端增加了静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)和电涌破坏等防护设计；3)该模块使用了高集成度和低成本的磁隔离器件，且使得隔离前后的的信号响应时间比光耦隔离方式快，隔离信号质量高。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1基于USB接口的RS232/422/485串口模块组成原理图

图2 USB/HUB控制器的上行USB接口电路图

图3 USB/HUB控制器和USB/UART控制器的连接电路图

图4 RS232接口及UART信号隔离电路图

图5 RS422/485接口电路图

具体实施方式

如图1所示，本发明基于USB接口的RS232/422/485串口模块，包括依次相连的USB/HUB控制器的上行USB接口电路、USB/HUB控制器和四个USB信号收发电路，其中每个USB信号收发电路包括USB/UART控制器、RS232接口及UART信号隔离电路、RS422/485收发器的接口电路和保护电路；其中，RS232接口及UART信号隔离电路包括RS232收发器和磁隔离器；USB/HUB控制器与所有USB/UART控制器相连形成USB/HUB控制器和USB/UART控制器的连接电路；

USB/HUB控制器的上行USB接口电路实现了外部主机的USB总线信号接入USB/HUB控制器，USB/HUB控制器和USB/UART控制器的连接电路实现了USB/HUB控制器的下行USB总线和USB/UART控制器的连接，RS232接口及UART信号隔离电路实现了UART信号的RS232接口转换和UART信号的磁隔离转换，RS422/485接口电路实现了隔离后的UART信号的RS422、RS485的接口转换和保护设计。

如图2所示，USB/HUB控制器的上行USB接口电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一集成电路U1、第二集成电路U2、第三集成电路U3；

所述第一集成电路U1的型号为NS-USB-A，第二集成电路U2的型号为MAX3207E，第三集成电路U3的型号为ISP1520BD；

第一集成电路U1的第一引脚和第二集成电路U2的第五引脚相连，第一集成电路U1的第二引脚和第三集成电路U3的第三引脚、第二集成电路U2的第四引脚相连，第一集成电路U1的第三引脚和第三集成电路U3的第四引脚、第二集成电路U2的第一引脚相连，第一集成电路U1的第四引脚和第一电容C1的一端相连并接地，第一电容C1的另一端和第一集成电路U1的第五引脚相连，第一集成电路U1的第四引脚和第二电容C2的一端相连并接地，第二电容C2的另一端和第一集成电路U1的第六引脚相连，第一集成电路U1的第五引脚和第一集成电路U1的第六引脚相连；第二集成电路U2的第二引脚接地，第二集成电路U2的第三引脚和第六引脚置空。

如图3所示，USB/HUB控制器和USB/UART控制器的连接电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第三集成电路U3、第四集成电路U4、第五集成电路U5、第六集成电路U6、第七集成电路U7；

所述第三集成电路U3的型号为ISP1520BD，第四集成电路U4的型号为CP2101，第五集成电路U5的型号为CP2101，第六集成电路U6的型号为CP2101，第七集成电路U7的型号为CP2101；

第三集成电路U3的第十五引脚和第四集成电路U4的第五引脚、第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端接地，第三集成电路U3的第十六引脚和第四集成电路U4的第四引脚、第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接地，第三集成电路U3的第三十六引脚和第五集成电路U5的第五引脚、第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端接地，第三集成电路U3的第三十七引脚和第五集成电路U5的第四引脚、第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端接地，第三集成电路U3的第四十三引脚和第六集成电路U6的第五引脚、第六电阻R6的一端相连，第六电阻R6的另一端接地，第三集成电路U3的第四十四引脚和第六集成电路U6的第四引脚、第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端接地，第三集成电路U3的第四十七引脚和第七集成电路U7的第五引脚、第八电阻R8的一端相连，第八电阻R8的另一端接地，第三集成电路U3的第四十八引脚和第七集成电路U7的第四引脚、第七电阻R7的一端相连，第七电阻R7的另一端接地。

如图4所示，RS232接口及UART信号隔离电路包括第四集成电路U4、第八集成电路U8、第九集成电路U9、第十集成电路U10、第十一集成电路U11、第一连接器E1；

所述第四集成电路U4的型号为CP2101，第八集成电路U8的型号为SP3243EU，第九集成电路U9的型号为ADuM1301，第十集成电路U10的型号为SN74AHC1G04，第十一集成电路U11的型号为ADM3491E，第一连接器E1的型号为PH-1*3S；

第四集成电路U4的第二十八引脚和第八集成电路U8的第十四引脚相连，第四集成电路U4的第二十六引脚和第八集成电路U8的第十三引脚、第九集成电路U9的第三引脚相连，第四集成电路U4的第二十四引脚和第八集成电路U8的第十二引脚、第九集成电路U9的第四引脚相连，第四集成电路U4的第二引脚和第八集成电路U8的第十九引脚相连，第四集成电路U4的第一引脚和第八集成电路U8的第十八引脚相连，第四集成电路U4的第二十七引脚和第八集成电路U8的第十七引脚相连，第四集成电路U4的第二十五引脚和第八集成电路U8的第十六引脚、第九集成电路U9的第五引脚相连，第四集成电路U4的第二十三引脚和第八集成电路U8的第十五引脚相连，第四集成电路U4的第十一引脚和第八集成电路U8的第二十二引脚相连；

第九集成电路U9的第十二引脚和第十一集成电路U11的第二引脚相连，第九集成电路U9的第十三引脚和第十一集成电路U11的第四引脚相连，第九集成电路U9的第十四引脚和第十一集成电路U11的第五引脚、第十集成电路U10的第二引脚相连；

第十集成电路U10的第四引脚和第一连接器E1的第三引脚相连，第十一集成电路U11的第三引脚和第一连接器E1的第二引脚相连，第一连接器E1的第一引脚接地；

第八集成电路U8的第九引脚接RS232_DTR,第八集成电路U8的第十引脚接RS232_TXD，第八集成电路U8的第十一引脚接RS232_RTS，第八集成电路U8的第四引脚接RS232_RI，第八集成电路U8的第五引脚接RS232_DCD，第八集成电路U8的第六引脚接RS232_DCR，第八集成电路U8的第七引脚接RS232_RXD，第八集成电路U8的第八引脚接RS232_CTS。

如图5所示，RS422/485接口电路包括第九电阻R9、第十一集成电路U11、第二连接器E2、第三连接器E3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一限流器F1、第二限流器F2、第三限流器F3、第四限流器F4；

所述第十一集成电路U11的型号为ADM3491E，第二连接器E2的型号为PH-1*3S，第三连接器E3的型号为PH-1*3S，第一二极管D1的型号为CDSOT23-SM712，第二二极管D2的型号为CDSOT23-SM712，第三二极管D3的型号为CDSOT23-SM712，第四二极管D4的型号为CDSOT23-SM712，第一限流器F1的型号为TBU-CA065-200，第二限流器F2的型号为TBU-CA065-200，第三限流器F3的型号为TBU-CA065-200，第四限流器F4的型号为TBU-CA065-200；

第十一集成电路U11的第十二引脚和第九电阻R9的一端相连，第九电阻R9的另一端和第二连接器E2的第一引脚、第一二极管D1的第一引脚、第一限流器F1的第二引脚相连，第十一集成电路U11的第十一引脚和第三连接器E3的第一引脚、第二二极管D2的第一引脚、第二限流器F2的第二引脚相连，第十一集成电路U11的第十引脚和第三连接器E3的第三引脚相连，第十一集成电路U11的第九引脚和第二连接器E2的第三引脚相连，第二连接器E2的第二引脚和第三二极管D3的第一引脚、第三限流器F3的第二引脚相连，第三连接器E3的第二引脚和第四二极管D4的第一引脚、第四限流器F4的第二引脚相连，第一二极管D1的第二引脚接地，第二二极管D2的第二引脚接地，第三二极管D3的第二引脚接地，第四二极管D4的第二引脚接地；

第一限流器F1的第一引脚接RS22R+/485+,第二限流器F2的第一引脚接RS22R-/485+，第三限流器F3的第一引脚接RS22T+,第四限流器F4的第一引脚接RS22T-。

该模块实现了USB接口，可以用USB热插拔方式构建RS232/422/485通讯节点或RS232/422/485通讯测试设备，安装及维护效率大大提升，该模块实现了四个串口，每个串口支持RS232、RS422、RS485等接口方式，该模块在USB接入端增加了静电放电(ESD)防护设计，在串口输出端增加了静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)和电涌破坏等防护设计，该模块使用了高集成度和低成本的磁隔离器件，且使得隔离前后的的信号响应时间比光耦隔离方式快，隔离信号质量高，提高了模块的环境适应能力。