Автоматический преобразователь интерфейсов usb/rs-485

Полезная модель относится к микроэлектронике и предназначена для организации средств связи, используемых в автоматизированных системах мониторинга и управления технологическими процессами в различных областях промышленности, жилищно-коммунального хозяйства и в любых других областях. Автоматический преобразователь интерфейсов usb/rs-485 содержит блок интерфейса USB и блок интерфейса RS-485. Он выполнен на двухсторонней печатной плате, содержащей smd-компоненты. Автоматический преобразователь включает блок интерфейса USB, четырехканальный изолятор двусторонней гальванической развязки цифрового сигнала и блок интерфейса RS-485. Блок интерфейса USB представляет собой полнофункциональный одночиповый преобразователь интерфейса USB в асинхронный последовательный интерфейс передачи данных. Блок интерфейса RS-485 представляет собой полудуплексный приемопередатчик сигналов интерфейса RS-485, снабженный встроенными буферными усилителями. Встроенные буферные усилители выполнены с возможностью подключения магистральных проводов интерфейса RS-485 непосредственно к выходным выводам микросхемы. 1 ил.

Полезная модель относится к микроэлектронике и предназначена для организации средств связи, используемых в автоматизированных системах мониторинга и управления технологическими процессами в различных областях промышленности, жилищно-коммунального хозяйства (например, в системах «Умный дом», «Умный свет» и т.п.) и в любых других областях, требующих преобразования сигналов интерфейса USB в сигналы двухпроводного магистрального интерфейса RS-485.

Для мониторинга и управления технологическими процессами электронные измерительные и исполнительные приборы, имеющие аналоговые и цифровые интерфейсы, подключают к управляющей вычислительной машине при помощи интерфейса RS-485, объединяя их в промышленную сеть. В качестве управляющих вычислительных машин могут использоваться как промышленные персональные компьютеры с высокой устойчивостью аппаратных и программных средств, так и обычные персональные компьютеры, имеющие лишь базовый набор рабочих средств. Отказ от применения промышленных персональных компьютеров обусловлен их ценой, а если к системе управления не предъявляются требования повышенной отказоустойчивости, то наиболее предпочтительными являются обычные персональные компьютеры. Кроме того, использование обычных персональных компьютеров может понадобиться при проверке электронного оборудования работающего по интерфейсу RS-485, когда использование дорогого промышленного оборудования не является выгодным решением. Основной проблемой при применении в качестве управляющей вычислительной машины обычного персонального компьютера является отсутствие информационно-выходного интерфейса RS-485. Для решения этой проблемы используют промышленные преобразователи интерфейса из RS-485 в интерфейс, присутствующий в обычном базовом персональном компьютере.

Наиболее простым интерфейсом, входящим в базовый персональный компьютер до недавнего времени был последовательный интерфейс RS-232. Его основным достоинством является простота аппаратной и программной реализации обмена данными между персональным компьютером и одним электронным устройством.

Известны преобразователи интерфейса из RS-485 в интерфейс RS-232, присутствующий в обычном базовом персональном компьютере, например: преобразователь ADAM-4520, имеющий на выходе интерфейс RS232, и который может быть подключен к обычному персональному компьютеру только помощью переходного шнура (Методичка «Контроль и автоматика» 2005, 1, с.24-29, http://www.metodichka-contravt.ru/?id=3905), а также другие преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485 (например, RU 15035 U1, RU 62318 U1).

Однако недостатком интерфейса RS-232 является его низкая функциональность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является известный автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485, содержащий блок интерфейса USB и блок интерфейса RS-485 - выпускаемый по ТУ 4218-003-46526536-06 преобразователь ОВЕН АС4 (http://bashel.bashel.ru/oven/as4.pdf).

Применяемый в преобразователе ОВЕН АС4 интерфейс USB обладает большей функциональностью по сравнению с интерфейсом RS-232, но данная функциональность намного усложнила процесс обмена информацией между персональным компьютером и цифровыми устройствами, т.к. вынуждает создавать специальные низкоуровневые программы - драйверы для инициализации операционной системой устройств подключенных к USB порту. Преобразователь ОВЕН АС4 имеет большие габариты (36×93×57 мм), требует внешнего питания и переходного шнура USB для подключения к персональному компьютеру.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание автоматического преобразователя интерфейсов USB/RS-485, лишенного указанных недостатков.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является упрощение эксплуатации устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485, содержащий блок интерфейса USB и блок интерфейса RS-485, выполнен на двухсторонней печатной плате, содержащей smd-компоненты, и включает блок интерфейса USB, представляющий собой полнофункциональный одночиповый преобразователь интерфейса USB в асинхронный последовательный интерфейс передачи данных, четырехканальный изолятор двусторонней гальванической развязки цифрового сигнала и блок интерфейса RS-485, представляющий собой полудуплексный приемопередатчик сигналов интерфейса RS-485, снабженный встроенными буферными усилителями, выполненными с возможностью подключения магистральных проводов интерфейса RS-485 непосредственно к выходным выводам микросхемы.

На Рис. приведена принципиальная схема работы предлагаемого автоматического преобразователя интерфейсов USB/RS-485, подключенного к персональному компьютеру.

К персональному компьютеру 1 подключен автоматический преобразователь, включающий блок интерфейса USB 2, четырехканальный изолятор двусторонней гальванической развязки цифрового сигнала 3 и блок интерфейса RS-485 4, соединенный с линией передачи данных 5.

Блок интерфейса USB 2 представляет собой промышленно выпускаемый полнофункциональный одночиповый преобразователь интерфейса USB в асинхронный последовательный интерфейс передачи данных (UART) и является высокоинтегрированным переходником USB-COM, позволяющим организовать последовательный обмен данными между внешним устройством на микроконтроллере и компьютером через шину USB. Блок интерфейса USB 2 может быть выполнен, например, в виде стандартной микросхемы FT232RL (http://www.ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/ICs/DS_FT232R.pdf). На кристалл микросхемы интегрированы тактовый генератор, энергонезависимая память, пассивные компоненты. Микросхема работает при использовании минимума внешних компонентов в режиме последовательного обмена и в режиме Bit-bang и включает следующие функциональные элементы:

- блок внутренней энергонезависимой, предварительно запрограммированной памяти, которая служит для хранения служебной информации, а также имеет пользовательскую область, доступ к которой осуществляется напрямую через порт USB;

- генератор опорного напряжения для других внутренних блоков микросхемы, в частности, для управления и питания внутренних цепей входного и выходного буферов приемопередатчика USB, а также, при необходимости, - для питания внешней схемы с токопотреблением не выше 50 мА.

- приемопередатчик USB;

- блок обеспечения последовательно-параллельного и параллельно-последовательного преобразования данных USB;

- блок протокола USB и управления функциональными параметрами UART;

- буфер приема данных для UART;

- буфер передачи данных для UART;

- контроллер приемо-передачи данных UART;

- физический UART интерфейс, обеспечивающий параллельно-последовательное и последовательно-параллельное преобразование и прием-передачу данных и имеющий возможность программно инвертировать выходной сигнал.

Блок интерфейса USB 2 может быть снабжен светодиодным индикатором, который подключен к выводу микросхемы, по умолчанию конфигурированному для вывода на светодиодную нагрузку индикации процесса передачи данных в UART.

Четырехканальный изолятор двусторонней гальванической развязки цифрового сигнала 3 представляет собой стандартный цифровой изолятор, используемый в промышленных системах передачи данных, например, микросхему AduM5401 (http://www.datasheetdir.com/ADUM5401+DC-DC-Converters) - интегральный четырехканальный трансформатор с единичным коэффициентом трансформации, который обеспечивает гальваническую развязку передаваемых данных, поддерживает передачу потока данных и имеет два внутренних источника питания, один из которых служит для питания входных внутренних цепей микросхемы, а второй предназначен для питания выходных устройств и внешних цепей. Оба источника питания гальванически развязаны друг от друга. Микросхема имеет также встроенный широтно-импульсный регулятор выходного напряжения.

Блок интерфейса RS-485 4 представляет собой промышленно выпускаемый дифференциальный высокоскоростной приемо-передатчик сигналов интерфейса RS-485 - полудуплексный приемопередатчик сигналов интерфейса RS-485, который снабжен встроенными буферными усилителями, выполненными с возможностью подключения магистральных проводов интерфейса RS-485 непосредственно к выходным выводам микросхемы. В качестве блока интерфейса RS-485 4 может быть использована стандартная промышленно выпускаемая микросхема D3 ADM1485 (http://www.e-tools.info/mdex.php?page=component_detail&id=17405, 2008), которая имеет встроенную защиту от перегрузок и термозащиту. Встроенные буферные усилители позволяют подключить магистральные провода интерфейса RS-485 непосредственно к выходным выводам микросхемы.

Питание блока интерфейса RS-485 4 осуществляется не от разъема USB, как у четырехканального изолятора двусторонней гальванической развязки цифрового сигнала 3 и блока интерфейса USB 2, а от изолированного источника питания, встроенного в блок интерфейса USB 2. Переключение прием/передача осуществляется подачей генерируемого блоком интерфейса RS-485 4 управляющего сигнала.

На выходе предлагаемого автоматического преобразователя интерфейсов USB/RS-485 применена стандартная для интерфейсных устройств такого типа схема защиты, выполненная на быстродействующем диодном мосте с опорными стабилитронами.

Данные из управляющей вычислительной машины 1, в формате логико-физического протокола USB поступают в блок интерфейса USB 2. В блоке интерфейса USB 2 данные преобразуются в последовательный физический протокол UART. Далее информационный сигнал, сформировавшийся на выходе блока интерфейса USB 2, поступает в четырехканальный изолятор двусторонней гальванической развязки цифрового сигнала 3, в котором информационные сигналы гальванически изолируются друг от друга для обеспечения безопасной передачи данных. Развязанный информационный сигнал поступает на блок интерфейса RS485 4, который осуществляет преобразование физического последовательного протокола UART в физический протокол RS485, после чего данные поступают непосредственно в линию передачи данных 5.

Технический результат предлагаемой полезной модели, состоящий в упрощении эксплуатации устройства, обеспечивается следующими его свойствами.

Применение аппаратного способа преобразования сигналов в предлагаемом автоматическом преобразователе интерфейсов USB/RS-485 позволило отказаться от необходимости написания специализированного программного обеспечения (так называемой прошивки или hex-файла) как в случае использования стандартного микроконтроллера. Предлагаемый автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485 работает под управлением операционной системы типа Windows, виртуальный СОМ-порт создается с помощью свободно распространяемого программного обеспечения (драйвера).

Электропитание предлагаемого автоматического преобразователя интерфейсов USB/RS-485 осуществляется от USB-порта персонального компьютера без использования внешнего источника питания.

Предлагаемый автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485 не требует наличия шнура-переходника.

Предлагаемый автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485 выполнен на двухсторонней печатной плате с использованием только smd-компонентов, что позволило уменьшить габаритные размеры устройства до 51,1×12,2×8,3 мм.

Предлагаемый автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485 не вызывает перебои в работе других устройств и персонального компьютера, не создает помех радиооборудованию.

Автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485, содержащий блок интерфейса USB и блок интерфейса RS-485, отличающийся тем, что он выполнен на двухсторонней печатной плате, содержащей smd-компоненты, и включает блок интерфейса USB, представляющий собой полнофункциональный одночиповый преобразователь интерфейса USB в асинхронный последовательный интерфейс передачи данных, четырехканальный изолятор двусторонней гальванической развязки цифрового сигнала и блок интерфейса RS-485, представляющий собой полудуплексный приемопередатчик сигналов интерфейса RS-485, снабженный встроенными буферными усилителями, выполненными с возможностью подключения магистральных проводов интерфейса RS-485 непосредственно к выходным выводам микросхемы.