隔離式USB轉隔離式RS-485/隔離式RS-232接口

評估和設計支持

電路評估板

CN-0373電路評估板(EVAL-CN0373-EB1Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路提供使用廣泛的USB總線與RS-485或RS-232總線之間的完全隔離連接。信號和電源隔離確保USB設備與工業(yè)總線或調試端口之間實現(xiàn)安全接口，允許監(jiān)控TIA/EIA-485/232總線流量，并且便于向未配備RS-485或RS-232端口的PC發(fā)送命令或從該PC接收命令。

本電路中的隔離能提供電氣線路浪涌保護并斷開總線和數(shù)字引腳之間的接地連接，增加系統(tǒng)安全性和魯棒性，進而消除系統(tǒng)中可能存在的接地環(huán)路。

器儀表應用中，TIA/EIA RS-485總線標準是使用最廣泛的物理層總線設計標準之一。 RS-485提供多個系統(tǒng)之間的差分數(shù)據(jù)傳輸，這些系統(tǒng)通常相距很遠。 相比RS-232標準，RS-485通信可通過差分通信方式提供額外的魯棒性。

TIA/EIA RS-232器件廣泛用于工業(yè)機器、網(wǎng)絡設備和科研儀器中。 在現(xiàn)代個人電腦中（個人電腦經(jīng)常用來調試網(wǎng)絡問題），大部分外設接口已經(jīng)采用USB代替RS-232，并且很多電腦不再配備RS-232端口。 圖1中的電路為RS-232和RS-485接口提供魯棒而緊湊的解決方案。

圖1. 隔離式USB轉FTDI隔離式RS-232/隔離式RS-485電路（原理示意圖，未顯示所有連接）

電路描述

圖1中的電路提供完全符合TIA/EIA-485/232標準、高度集成且魯棒隔離性能的收發(fā)機。ADM3252E 2.5 kV rms隔離式RS-232和ADM2587E 2.5 kV rms隔離式RS-485解決方案是業(yè)界尺寸最小的解決方案。ADuM3160提供市場領先的USB端口2.5 kV rms隔離，可輕松實現(xiàn)與低速和全速USB兼容外設的集成。 FTDI FT2232H（USB至UART轉換器）能為通過UART轉RS-485或RS-232總線端口進行傳輸提供方便。 TIA/EIA RS-232器件廣泛用于工業(yè)機器、網(wǎng)絡設備和科研儀器中。 RS-485的應用包括：過程控制網(wǎng)絡、工業(yè)自動化、遠程終端、樓宇自動化（例如，暖通空調（HVAC）、保安系統(tǒng)）、電機控制和運動控制。

在這些實際的系統(tǒng)中，雷擊和電源波動會通過產(chǎn)生較大瞬變電壓對通信端口造成損害。 圖1電路的隔離可針對這些電氣線路浪涌提供保護，增加系統(tǒng)安全性。

圖2. EVAL-CN0373-EB1Z板

圖2顯示隔離式USB轉FTDI隔離式RS-232/隔離式RS-485電路的照片。 如有需要，該電路可實現(xiàn)USB端口至RS-485和RS-232端口的同步發(fā)送，也可僅發(fā)送一個端口。

ADuM3160提供USB總線D+和D−輸入端數(shù)據(jù)信號到FTDI FT2232H（USB至UART轉換器）的2.5 kV rms數(shù)字隔離。 隔離式USB輸出DD−和DD+信號分別連接FTDI的DM和DP引腳。 FTDI FT2232H可通過UART轉RS-232/RS-485接口發(fā)送數(shù)據(jù)，具體取決于所選PC虛擬COM端口(VCP)。ADuM3160通過USB電纜連接提供VBUS1電源。ADuM3070提供穩(wěn)壓隔離電源。ADuM3070的電源(+6 V)和接地通過J1管式插口連接器相連。ADuM3160 VBUS2引腳采用ADuM3070的3.3V隔離電源供電。ADuM3070 3.3V輸出還為ADM3252E 2.5 kV rms隔離式RS-232和ADM2587E 2.5 kV rms隔離式RS-485收發(fā)機提供主電源。

ADM2587E 2.5 kV rms隔離式RS-485收發(fā)機是業(yè)界領先的信號和電源隔離解決方案。該收發(fā)機可在3.3 V或5 V下工作。數(shù)據(jù)通過TxD引腳發(fā)送，通過RxD引腳接收。 驅動器和接收器的輸出都可使能或禁用，即通過改變DE和RE引腳上的相應邏輯電平，進入高阻抗狀態(tài)。

FTDI輸出引腳BDBUS0連接ADM2587E的TxD數(shù)據(jù)輸入引腳。 FTDI輸出引腳BCBUS0、PWREN#和BDBUS1分別連接ADM2587E的DE、RE和RxD輸入引腳。 DE和RE引腳狀態(tài)還可通過LK1和LK2跳線配置。 對每條鏈路而言，位置A連接邏輯引腳至3.3 V，位置B連接邏輯引腳至GND，位置C連接邏輯引腳至FTDI輸出引腳。

ADM2587E可通過A、B、Y和Z RS-485輸入/輸出發(fā)送和接收總線數(shù)據(jù)。 RS-485總線電纜可通過J2五路連接器連接。 斷開LK5和LK6跳線連接可將ADM2587E置于全雙工配置下，在該配置下數(shù)據(jù)可通過Y和Z引腳發(fā)送，并通過A和B引腳接收。 連接LK5和LK6跳線可將ADM2587E輸入/輸出置于半雙工配置下，在該配置下僅能發(fā)送或接收總線數(shù)據(jù)，不能同時收發(fā)。

ADM3252E是一款高速、2.5 kV、完全隔離、雙通道RS-232/V.28收發(fā)機，采用3.3 V或5 V單電源供電。 RS-232接口支持全雙工通信，通過J5五路連接器或J3連接器為CTS和RTS提供硬件握手。 J3提供RS-232電纜連接器，用來連接工業(yè)設備。

ADM3252E發(fā)射機輸入(TINx)支持從FTDI的ADBUS0和ADBUS2引腳輸出的FTDITTL/CMOS輸入電平。 TInx輸入反轉并跨越隔離柵耦合，然后作為EIA/TIA-232E總線信號通過J3或J5連接器發(fā)送。ADM3252E接收機輸入(RINx)支持來自J3或J5連接器的EIA/TIA-232E信號電平。 RInx輸入反轉并跨越隔離柵耦合至ROUTx引腳。 ROUTx引腳連接FTDI的ADBUS1和ADBUS3輸入。

使用兩個獨立的ADP190電路作為軟啟動電路，并在FTDI FT2232H完全上電后為ADM2587E和ADM3252E供電。 跳線LK7通過74AHC1G14W5-7逆變器將FTDI FT2232H PWREN#引腳連接至ADP190電路的EN引腳。ADP190 EN引腳必須為高電平才能開啟電源開關；驅動EN至低電平可關閉電源開關。 連接位置A的LK7（位置B斷開連接）表示ADP190 EN引腳始終為高電平/使能。 連接位置B的LK7（位置A斷開連接）表示ADP190 EN引腳通過PWREN#反轉信號觸發(fā)。

FTDI FT2232H數(shù)據(jù)手冊提供RS-232通信的引腳功能完整列表。 LK3和LK4跳線支持RS-232握手選項。LK3連接時，ADBUS4 (DTR#)連接到ADBUS5 (DSR#)。 LK4連接時，ADBUS4 (DTR#)連接到ADBUS6 (DCD#)。

電路評估與測試

在J1管式插口連接器上施加6 V電壓，為EVAL- CN0373-EB1Z板供電。 可在ADP7102穩(wěn)壓器輸出端的VCC_REG測試點上檢查該電壓。ADP7102輸出電壓測量值應當為5 V。5 V電壓路由至ADuM3070和T2變壓器，然后為RS-485、RS-232和FTDI電路提供3.3 V電源輸出。檢查ISO_VCC測試點，該點處的測量電壓應當為3.3V。

通過將RS-232和RS-485輸出連接至ADI ezLINX™ iCoupler®隔離接口開發(fā)環(huán)境板，可測試完整的發(fā)送和接收路徑。 此外，還可通過Tera Term開源終端仿真程序執(zhí)行USB轉RS-232/RS-485發(fā)送測試。 如有需要，該電路可實現(xiàn)USB端口至RS-485和RS-232端口的同步發(fā)送，也可僅發(fā)送一個端口。

使用USB電纜連接筆記本電腦/PC與J4連接器。 將示波器探針與ADM3252E收發(fā)機旁邊的ISOTxD測試點相接，如圖3所示。打開PC應用軟件，選擇COM5，然后單擊OK（確定），如圖4所示。

單擊File（文件）菜單下的Send（發(fā)送）按鈕，載入待發(fā)送的RS-232數(shù)據(jù)。 選擇用于連續(xù)測試傳輸?shù)拇髷?shù)據(jù)尺寸文件并單擊Send（發(fā)送），如圖5所示。

圖3. EVAL-CN0373-EB1Z板測試設置

圖4. 用于向EVAL-CN0373-EB1Z板上的RS-232端口進行USB傳輸?shù)腡era Term COM5

圖5. 用于向EVAL-CN0373-EB1Z板上的RS-232端口進行USB傳輸?shù)腡era Term COM5數(shù)據(jù)用探針探測EVAL-CN0373-EB1Z板上的ISOTxD測試點，通過示波器觀察隔離式RS-232信號（見圖6）。

圖6. EVAL-CN0373-EB1Z板上RS-232端口的ISOTxD信號

可針對ADM2587E收發(fā)機執(zhí)行類似的測試。 使用USB電纜連接筆記本電腦/PC與J4連接器。 將示波器探針與ADM2587E收發(fā)機旁邊的Y和Z測試點相接，如圖3所示。打開第二個Tera Term仿真器窗口，選擇COM6用于RS-485傳輸，如圖7所示。

圖7. 用于向EVAL-CN0373-EB1Z板上的RS-485端口進行USB傳輸?shù)腡era Term COM6

單擊File（文件）菜單下的Send（發(fā)送）按鈕，載入待發(fā)送的RS-485數(shù)據(jù)。 選擇用于連續(xù)測試傳輸?shù)拇髷?shù)據(jù)尺寸文件并單擊Send（發(fā)送），如圖8所示。

圖8. 用于向EVAL-CN0373-EB1Z板上的RS-485端口進行USB傳輸?shù)腡era Term COM6數(shù)據(jù)

用探針探測Y和Z測試點，通過示波器觀察隔離式RS-485信號；或者使用示波器的Y – Z數(shù)學函數(shù)觀察差分總線信號，如圖9所示。

圖9. EVAL-CN0373-EB1Z板上RS-485端口的Y – Z數(shù)學波形

了解詳情

CN-0373設計支持包： www.analog.com/CN0373-DesignSupport

ezLINX™ iCoupler®隔離接口開發(fā)環(huán)境、ezLINX板快速入門指南。

Marais, Hein. AN-960應用筆記：RS-485/RS-422電路實施指南。 ADI公司。

Clark, Sean和Ronn Kliger. AN-740應用筆記：

RS-232應用中的iCoupler®隔離。