一种多功能串行通信隔离测试模块的制作方法

1.本技术涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种多功能串行通信隔离测试模块。


背景技术：

2.rs-232、rs-422与rs-485均是串行数据接口标准，是由电子工业协会（eia）制订并发布。rs-232在1962年发布，rs-422由rs-232发展而来，为改进rs-232通信距离短、速率低的缺点，rs-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10mbps，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kbps时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。rs-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为tia/eia-422-a标准。为扩展应用范围，eia又于1983年在rs-422基础上制定了rs-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为tia/eia-485-a标准。
3.rs232接口、rs485接口是物联网设备、dtu、rtu、工业自动化仪器仪表等设备的常用接口。目前在对rs232接口调试时，安装工程师、调试人员调试常用的是一种usb转rs232接口；而在对rs485接口调试时，则使用一种需要外供电的usb转rs485接口，而现有的usb接口转rs485接口、rs232接口的两种接口转换器无静电隔离功能，同时提供负载能力不够，且不具备输入接口的保护功能。在一些对rs232接口、rs485接口均需要进行调试的场合，会出现现场调试工具种类繁杂，调试工具usb静电损伤，被调试设备、现场被测设备需要供电，多种通信速率兼容等问题。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种多功能串行通信隔离测试模块，以解决在对rs232接口、rs485接口进行调试时，现场调试工具种类繁杂，调试工具usb静电损伤，被调试设备、现场被测设备需要供电，多种通信速率兼容的问题。
5.本技术解决上述技术问题所采取的技术方案如下：一种多功能串行通信隔离通信模块，包括：rs485通信隔离电路、uart全双工隔离电路、串行通信转换电路、低噪声电源电路、隔离串行通讯接口、usb通信和usb电源；所述usb电源与所述低噪声电源电路连接；所述低噪声电源电路用于给所述uart全双工隔离电路、所述串行通信转换电路和所述rs485通信隔离电路提供电源；所述uart全双工隔离电路和所述串行通信转换电路连接，所述串行通信转换电路和所述rs485通信隔离电路连接；所述隔离串行通讯接口为所述uart全双工隔离电路和所述rs485通信隔离电路的外部接口，用于与所述多功能串行通信隔离通信模块的外部通讯设备连接；所述usb通信与所述串行通信转换电路连接。
6.进一步的，所述rs485通信隔离电路包括：第七芯片、第五芯片、第六电阻、第七电
阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第六二极管、第七二极管、第八二极管；所述第六电阻与所述第六二极管并联后，一端与所述第七芯片的第6引脚连接，另一端与所述第五芯片的第3引脚连接，所述第十一电阻与所述第七芯片的第3引脚连接，所述第七芯片的第12引脚与所述第八电阻的一端连接，所述第七电阻和所述第八二极管并联在所述第八电阻的另一端，所述第七芯片的第13引脚与所述第十电阻的一端连接，所述第十二电阻和所述第七二极管并联在所述第十电阻的另一端，所述第九电阻连接在所述第七电阻和所述第十二电阻之间，所述第七二极管和所述第八二极管的另一端均接地。
7.进一步的，所述uart全双工隔离电路包括：第四芯片、第四电阻、第十一电容、第十二电容；所述第四芯片的第1引脚与第一电源和所述第十二电容的一端连接，所述第十二电容的另一端与所述第四芯片的第4引脚连接且接地，所述第四芯片的第8引脚与第二电源和所述第十一电容的一端连接，所述第十一电容的另一端与所述第四芯片的第5引脚连接且接地，所述第四电阻与所述第四芯片的第6引脚连接。
8.进一步的，所述串行通信转换电路包括：第十三芯片、第六芯片、第一电感、第八电容、第九电容、第十三电容、第十四电容、第十五电容；所述第十三芯片的第1引脚与所述第一电感的一端和所述第十三电容连接，所述第一电感的另一端分别与所述第八电容、所述第九电容和所述第六芯片的第18引脚、第19引脚连接，所述第十三芯片的第2引脚与所述第十五电容和所述第六芯片的第15引脚连接，所述第十三芯片的第3引脚与所述第十四电容和所述第六芯片的第14引脚连接，所述第八电容的另一端、所述第九电容的另一端、所述第十三电容的另一端、所述第十四电容的另一端、所述第十五电容的另一端均接地。
9.进一步的，所述低噪声电源电路包括第一芯片、第二芯片、第三芯片、第一变压器；所述第二芯片的第2引脚与所述第一变压器的第2引脚、第四电容、第五电容连接，所述第一变压器的第6引脚与第一二极管的一端连接，所述第一变压器的第4引脚与第二二极管的一端连接，所述第一二极管的另一端和所述第二二极管的另一端连接后与所述第一芯片的第1引脚、第3引脚和所述第三芯片的第1引脚、第3引脚连接，所述第一芯片的第5引脚与第二电容和第三电容连接，所述第三芯片的第5引脚与第六电容和第七电容连接，所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端、所述第四电容的另一端、所述第五电容的另一端、所述第六电容的另一端和所述第七电容的另一端均接地。
10.进一步的，所述隔离串行通讯接口包括第四接插件，所述第四接插件的第1引脚、第4引脚均接地。
11.进一步的，所述第五芯片为sn74lvc2g14dbv芯片，所述第七芯片为iso3082dw芯片。
12.进一步的，所述第四芯片为adum3201arz芯片。
13.进一步的，所述第十三芯片为usb-type-a接口芯片，所述第六芯片为ft232rq芯片。
14.进一步的，所述第一芯片为spx3819m5-l-5-0/tr芯片，所述第二芯片为sn6501芯片，所述第三芯片为spx3819m5-l-3-3/tr芯片。
15.本技术提供的技术方案包括以下有益技术效果：本技术提供的多功能串行通信隔离通信模块，包括：rs485通信隔离电路、uart全双工隔离电路、串行通信转换电路、低噪声电源电路、隔离串行通讯接口、usb通信和usb电源。该串行通信隔离通信模块使用usb接口实现上游信号交互，通过将一个usb接口扩展成1组rs232接口和一组rs485接口；使用串行协议将一个usb接口设计成rs485、rs232同时实现，该串行通信隔离通信模块可以通过常规usb接口灵活扩展缺少rs485接口、rs232接口的工业控制设备，具有高电压隔离、免驱动、安装方便、操作灵活等优点。可以解决工业场景系统搭建出现rs485接口、rs232接口不兼容的问题，现场安装简单，即插即用，调试时直接通过usb插拔到个人笔记本即可实现设备调试，使工业设备的搭建更为便捷。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
17.图1为本技术实施例提供的串行通讯隔离测试模块结构图；图2为本技术实施例提供的rs485通信隔离电路原理图；图3为本技术实施例提供的uart全双工隔离电路原理图；图4为本技术实施例提供的串行通信转换电路原理图；图5为本技术实施例提供的低噪声电源电路原理图；图6为本技术实施例提供的隔离串行通信接口电路原理图。
18.附图标记说明：100
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uart全双工隔离电路，200-串行通信转换电路，300-rs485通信隔离电路，400-低噪声电源电路，500-隔离串行通信接口，600-usb通信，700-usb电源。
具体实施方式
19.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
22.在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一
体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
24.为便于对申请的技术方案进行描述和理解，以下结合附图及实施例对本技术的技术方案作进一步的说明。
25.本技术实施提供的多功能串行通信隔离测试模块主要是使用usb接口实现上游信号交互，通过将一个usb接口扩展成一组rs232接口和一组rs485接口；使用串行协议将一个usb接口设计成rs485、rs232同时实现，且免驱动安装和调试，然后通过单刀双掷开关来实现接口功能切换。
26.配置一个micro usb连接器接口，兼容usb3.0、usb2.0、usb1.0接口，快速接入带usb接口的工业自动化主控设备。
27.使用ft232rq信号usb协议芯片，是一种免驱动型usb转串行接口的协议芯片，协议速率范围300～3000k波特率，其速率适配常用r232、rs485设备的传输速率。
28.参见图1，为本技术实施例提供的串行通讯隔离测试模块结构图。如图1中所示，该串行通讯隔离模块包括：rs485通信隔离电路300、uart全双工隔离电路100、串行通信转换电路200、低噪声电源电路400、隔离串行通讯接口500、usb通信600和usb电源700；所述usb电源700与所述低噪声电源电路400连接；所述低噪声电源电路400用于给所述uart全双工隔离电路100、所述串行通信转换电路200和所述rs485通信隔离电路300提供电源；所述uart全双工隔离电路100和所述串行通信转换电路200连接，所述串行通信转换电路200和所述rs485通信隔离电路300连接；所述隔离串行通讯接口500为所述uart全双工隔离电路100和所述rs485通信隔离电路300的外部接口，分别通过第四接插件j4的第5、6引脚和第2、3引脚与外部通讯设备连接；所述usb通信600与所述串行通信转换电路200连接。
29.本技术实施例提供的串行通讯隔离测试模块在使用时，通过usb-type-a接口芯片，提供输入电源，并提供通讯接口电路。usb电源700直接来源于外部设备，通过二次电源转换，将直接输入的usb电源转换满足要求低噪声电源。使用usb协议芯片（ft232rq），通过该免驱动型usb转串行接口的协议芯片，可以输出速率范围300～3000k，可适配常用r232、rs485设备，同时增加的隔离电路，保证在接入外部设备时，可实现2.5kv电压隔离。
30.在一种可能的实施方式中，参加图2，为本技术实施例提供的rs485通信隔离电路原理图。所述rs485通信隔离电路300包括：第七芯片u7、第五芯片u5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第六二极管d6、第七二极管d7、第八二极管d8；所述第六电阻r6与所述第六二极管d6并联后，一端与所述第七芯片u7的第6引脚连接，另一端与所述第五芯片u5的第3引脚连接，所述第十一电阻r11与所述第七芯片u7的第3引脚连接，所述第七芯片u7的第12引脚与所述第八电阻r8的一端连接，所述第七电阻r7和所述第八二极管d8并联在所述第八电阻r8的另一端，所述第七芯片u7的第13引脚与所述第十电阻r10的一端连接，所述第十二电阻r12和所述第七二极管d7并联在所述第十电阻
r10的另一端，所述第九电阻r9连接在所述第七电阻r7和所述第十二电阻r12之间，所述第七二极管d7和所述第八二极管d8的另一端均接地。
31.具体的，第七芯片u7采用iso3082dw芯片，iso3082dw芯片是隔离的全双工差分线路驱动器和接收器，应用于tia/eia的隔离半双工差分线路收发器 485/422申请，适用于长传输线，其接地回路可以处于开路状态，可扩大其共模电压范围。采用iso3082dw芯片设计一种uart全双工隔离型rs485通信隔离电路，实现2.5kv电压隔离，5v电平的数字信号传输。如图2中所示，iso3082dw芯片第6引脚接第六电阻r6，作为rs485发送接口；iso3082dw芯片第3引脚接第十一电阻r11，作为rs485发送接口，进一步iso3082dw芯片第12引脚接连接第八电阻r8的一端，第七电阻r7和第八二极管d8并联在第八电阻r8的另一端，第七电阻r7的另一端接5v电源，进一步iso3082dw芯片第13引脚接第十电阻r10，第十二电阻r12和第七二极管d7并联在第十电阻r10的另一端，第九电阻r9作为匹配电阻，连接在第七电阻r7和第十二电阻r12之间。其中，第六电阻r6的阻值为51欧姆，第十一电阻r11的阻值为10000欧姆，第八电阻r8的阻值为10欧姆，第九电阻r9的阻值为120欧姆，第十电阻r10的阻值为10欧姆，第八二极管d8的型号为1smb5920bt3g/6.2v。
32.第五芯片u5采用sn74lvc2g14dbv芯片，sn74lvc2g14dbv芯片包含两个反相器，3.3v时为24ma输出驱动，并执行布尔函数y = a，该芯片的典型volp(输出接地反弹)功能类似于两个独立的反相器，支持使用ioff的实时插入、部分关断应用，输入模式关闭电路禁用和反向驱动保护输出，当器件断电时可防止破坏性电流回流。采用sn74lvc2g14dbv芯片设计rs485接口的收发方向控制，在信号发送和接收时自动控制rs485接口的收发方向。如图2中所示，sn74lvc2g14dbv芯片的第3引脚接第五电阻r5的一端，第五电阻r5的另一端接第十七电容c17，sn74lvc2g14dbv芯片的第5引脚与第十六电容c16连接，第十七电容c17和第十六电容c16的另一端均接地，sn74lvc2g14dbv芯片的第2引脚接地。其中，第五电阻r5的阻值为300欧姆，第十七电容c17的型号为100pf/50v，第十八电容c18d的型号为0.1uf/16v。
33.在一种可能的实施方式中，参加图3，为本技术实施例提供的uart全双工隔离电路原理图。如图3所示，所述uart全双工隔离电路100包括：第四芯片u4、第四电阻r4、第十一电容c11、第十二电容c12；所述第四芯片u4的第1引脚与第一电源和所述第十二电容c12的一端连接，所述第十二电容c12的另一端与所述第四芯片u4的第4引脚连接且接地，所述第四芯片u4的第8引脚与第二电源和所述第十一电容c11的一端连接，所述第十一电容c11的另一端与所述第四芯片u4的第5引脚连接且接地，所述第四电阻r4与所述第四芯片u4的第6引脚连接。
34.具体的，第四芯片u4可以采用adum3201arz芯片，adum3200arz/adum3201arz芯片是基于adi公司icoupler技术的双通道数字隔离器，这些隔离元件结合了高速互补金属氧化物半导体和单片变压器技术，提供了优于光耦合器等替代器件的出色性能。通过避免使用发光二极管和光电二极管，icoupler器件消除了通常与光耦合器相关的设计困难，简单的icoupler数字接口和稳定的性能特性消除了光耦合器对不确定电流传输比、非线性传输函数以及温度和寿命影响的典型影响。本技术实施例采用adum3201arz芯片设计一种隔离型uart全双工隔离电路，实现uart收发信号双向传输，实现2.5kv电压隔离，3.3v～5v电平的数字信号传输，最大传输速率为25mbps。如图3中所示，adum3201arz芯片的第1引脚与第一电源和第十二电容c12的一端连接，第十二电容c12的另一端与adum3201arz芯片的第4引
0/tr芯片的第1引脚和第3引脚连接并连接5v电源，spx3819m5-l-5-0/tr芯片的第2引脚接地，spx3819m5-l-5-0/tr芯片的第5引脚分别与第二电容c2的一端和第三电容c3的一端连接，第二电容c2和第三电容c3的另一端均接地。其中，第二电容c2的型号为4.7uf/25v，第三电容c3的型号为0.1uf/25v。
39.第三芯片u3可以采用使用高纹波抑制比spx3819m5-l-3-3/tr低压差线性稳压芯片。如图5中所示，本技术实施例采用spx3819m5-l-3-3/tr芯片实现隔离芯片隔离端低噪声3.3v电压供电，spx3819m5-l-3-3/tr芯片的第1引脚和第3引脚连接并连接5v电源，spx3819m5-l-3-3/tr芯片的第2引脚接地，spx3819m5-l-3-3/tr芯片的第5引脚分别与第六电容c6的一端和第七电容c7的一端连接，第六电容c6和第七电容c7的另一端均接地。其中，第六电容c6的型号为4.7uf/25v，第七电容c7的型号为0.1uf/25v。
40.在一种可能的实施方式中，参加图6，为本技术实施例提供的隔离串行通信接口电路原理图。所述隔离串行通讯接口包括第四接插件j4，所述第四接插件j4的第1引脚、第4引脚均接地，uart全双工隔离电路100通过第四接插件j4的第5引脚、第6引脚与多功能串行通信隔离测试模块的外部通讯设备连接，rs485通信隔离电路300通过第四接插件j4的第2引脚、第3引脚与多功能串行通信隔离测试模块的外部通讯设备连接。
41.本技术实施例提供的多功能串行通信隔离测试模块可以通过常规usb接口灵活扩展缺少rs485接口、rs232接口的工业控制设备。该多功能串行通信隔离测试模块具有高电压隔离、免驱动、安装方便、操作灵活等优点。解决工业场景系统搭建出现rs485接口、rs232接口不兼容的问题，现场安装简单，即插即用，调试时直接通过usb插拔到个人笔记本即可实现设备调试，使工业设备的搭建更为便捷。
42.本说明书通篇提及的“多个实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或“实施例”等，意味着结合该实施例描述的具体特征、部件或特性包括在至少一个实施例中。因此，本说明书通篇出现的短语“在多个实施例中”、“在一些实施例中”、“在至少另一个实施例中”或“在实施例中”等并不一定都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，具体特征、部件或特性可以任何合适的方式进行组合。因此，在无限制的情形下，结合一个实施例示出或描述的具体特征、部件或特性可全部或部分地与一个或多个其他实施例的特征、部件或特性进 行组合。这种修改和变型旨在包括在本技术的范围之内。
43.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
44.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。