关于RS232通信电路设计讲解

Posted 2021-10-11 请叫我劉某人

一、应用需求

首先我们要考虑一下，在什么场景下会用到RS232通信电路，还是说随便想想就用了！！

我们应用前，先对RS232有个基本的了解。

1、标准介绍

RS-232全双工通讯，串行通信方式。
RS-232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广泛的标准总线。RS-232C 标准（协议）的全称是EIA-RS-232C 标准，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美国电子工业协会，其中RS是Recommended Standard的缩写，代表推赠标准，232是标识符，C代表RS-232的最新一次修改（1969年），在这之前，有过RS-232A、RS-232B标准，它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。现在，计算机上的串行通信端口（RS-232）是标准配置端口，已经得到广泛应用。

2、电气特性

EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了明确规定。

在TXD和RXD引脚上电平定义：逻辑1（MARK） ＝ -3V～-15V
逻辑0（SPACE） ＝ ＋3～＋15V
在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD等控制线上电平定义：
信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V
信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V

以上规定说明了RS-232C 标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”的传输的电平为-3V～-15V，逻辑“0”传输的电平为+3V～+15V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平为+3V～+15V，断开状态（OFF）即信号无效的电平为-3V～-15V，也就是当传输电平的绝对值大于3V 时，电路可以有效地检查出来；而介于-3～+3V之间的电压即处于模糊区电位，此部分电压将使得计算机无法准确判断传输信号的意义，可能会得到0，也可能会得到1，如此得到的结果是不可信的，在通信时候体现的是会出现大量误码，造成通信失败。因此，实际工作时，应保证传输的电平在±（3～15）V 之间。

3、通信距离和速度

RS-232规定最大的负载电容为2500pF，这个电容限制了传输距离和传输速率，由于RS-232C的发送器和接收器之间具有公共信号地（GND），属于非平衡电压型传输电路，不使用差分信号传输，因此不具备抗共模干扰的能力，共模噪声会耦合到信号中，在不使用调制解调器（MODEM）时，RS-232能够可靠进行数据传输的最大通信距离为15米，对于RS232远程通信，必须通过调制解调器进行远程通信连接。

现在个人计算机所提供的串行端口的传输速度一般都可以达到115200bps甚至更高，标准串口能够提供的传输速度主要有以下波特率：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps等，在仪器仪表或工业控制场合，9600bps是最常见的传输速度，在传输距离较近时，使用最高传输速度也是可以的。传输距离与传输速度的关系成反比，适当地降低传输速度，可以延长RS-232的传输距离，提高通信的稳定性。

经过上面的介绍，我们可以总结出来，在选用RS232通信电路时主要考虑以下几点：
（1）、逻辑电平
（2）、传输距离
（3）、通信速度
（4）、通信方式（1对1还是1对多）（RS232是多应用于1对1模式）

二、器件选型

在确定要选用RS232通信电路后，我们要进行器件的选型；我之前的项目中使用了RS232通信电路作为调试使用，并且需满足以下几点:

（1）、传输距离：50cm;
（2）、通信波特率：115200bps;
（3）、工作温度：-30℃----85℃
（5）、工作电压：+3.3V或+5V
（6）、防静电要求：接触放电±8KV、空气放电±15KV
（7）、尺寸

那我们要进行选择，可能公司的库存里面有很多种型号，如MAX3232、SP232还有UM3232EESE等，按照我们的需求对比每个芯片手册进行筛选，发现3款芯片都满足；最后进行成本和尺寸对比，选出UM3232EESE这款芯片。

三、电路设计

器件选择完成，下一步就是电路设计。

基础的设计可以参考芯片手册中提供的参考电路，因为这个是厂家经过大量的试验所得出的，有问题可以追溯，我们先来看一下芯片手册中的设计。

但是出于对性能的考虑，我们需要增加一些保护电路及抗干扰电路，最后就成为一个完整的成品电路。

基础电路的设计，我们是参考了芯片手册中的，如C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-端口，通信接口部分我们做了另外的设计。

讲解一下这个电路的各部分原理：

注：（1）、这里面提一点，为了更好的保证RS232通信电路的EMC性能，一般我们会在输出的地方加一个共摸电感用于抑制共摸干扰，因为我这里是用于调试使用，不是一直处于通信状态所以没有加；
（2）、如果经常的进行热插拔的话，在输出接口处，最好添加小电容用于滤除高频干扰。

（1）、C1+（电荷泵倍压电容器正极）、C1-（电荷泵倍压电容器负极）：与RS232内部电路构成电荷泵电路，对RS232的输出电压进行调节，达到要求的电平。

（2）、C2+（电荷泵逆变电容器正极）、C2-（电荷泵逆变电容器负极）：与RS232内部电路构成电荷泵电路，对RS232的输出电压进行调节，达到要求的电平。

（3）、V+（+5.5V由充电泵产生）、V-（-5.5V由充电泵产生）：
与RS232内部电路构成电荷泵电路，对RS232的输出电压进行调节，达到要求的电平。

注：前三条我也没有查找到合适的讲解，目前只知道是上述的作用

（4）、T1IN（TTL/CMOS发射极输入）、R1OUT（TTL/CMOS接收极输出）、T2IN（TTL/CMOS发射极输入）、R2OUT（TTL/CMOS接收极输出）：用于MCU或其他具备TTL/CMOS 电平的芯片与RS232芯片通信的接口

（5）、T1OUT（RS232发射极输出）、R1IN（RS232接收极输入）、T2OUT（RS232发射极输出）、R2IN（RS232接收极输入）：用于RS232芯片与外部通信的接口

（6）、R52、R53、R55、R56：限流保护作用

（7）、D10、D11：过压保护作用

四、验证

电路设计完成、PCB绘制完成，那肯定要有反馈，最后一步就是验证。PCB贴片回来后，我们要进行程序烧写测试，看一下通信是否正常，然后再用示波器对比查看TXD、RXD的波形是否有失真。

1、功能验证

（1）、软件通信测试

对RS232的通信接口进行数据收发验证，保证收发正常。

（2）、通信波形测试

在发送数据与接收数据是，通过示波器查看发送数据的波形与接收数据的波形，包括RS232与MCU通信端、RS232与RS232通信端，查看是否有失真现象。

2、性能验证

功能测试完成后，我们要进行最后一步的性能试验，一般我们都是对整机进行试验，如电磁兼容试验、安规试验、高低温等等，这些试验都能满足的情况下，才能算是一个合格的产品。

注：其实大部分电路的设计都可以参照上面的这个思路，大家可以参考一下。