串口泵----将RS232通讯距离延长2公里

一、引言

串口泵也称为RS232隔离长线驱动器，是德阳四星电子技术开发中心研制的RS232/RS422/RS485系列产品之一，外形采用DB25转接盒，外插RS232串口，即插即用，使用极为方便。独特的串口窃电技术使得该 系列产品不需要外接电源，也不需靠初始化设置串口来供电，使用本系列产品后均不会对软件作任何修改，确保适合一切软件！该产品全部采用工业级元器件，并设有抗雷击等瞬态电压抑制电路。特别适用于工业现场，野外等恶劣环境，外形如图1所示：

图 1
● 外形尺寸：60×50×17
● 重量：40克
● 工作温度：-40～+85℃
● 工作湿度：0～95%

　

二、工作原理

采用RS232接口单端信号传送方式，通讯距离只能达到15米，很大程度上限制了计算机的应用范围。影响计算机正常通讯的因素主要有电磁辐射干扰（噪声干扰）和电源干扰（串扰）。电磁辐射干扰主要来自于工业现场的各种用电器，它在通讯电缆线上产生感应电势等噪声干扰使系统不能正常工作。电源干扰的主要原因是设备的电源电路不够理想，如两台设备所用的电源不同相；设备接地不好；或者两台设备处在不同的电力分布网，地电位不同等原因在两台设备之间产生地电位差而形成串扰。
由图2可见：Er=Et+En+Eg,Et为十几伏，Eg一般为几十伏至几百伏，En若是来自用电器一般不超过几十伏，若是来自雷电则可达几千伏。 RS232接口所能承受的最大电压是25伏，由此可见，几十伏以上的干扰信号不仅会影响正常通讯而且足可将接口烧毁。

图 2
SC-232系列光隔离长线收发器是将RS232接口数据传送方式转换成双端平衡信号传输，并用高速光隔离器件将两台设备隔离开，在差分接收器接收到双端平衡信号后再还原成RS232信号送至RS232接口。见图3所示：

图 3
Et为发送端电压，Er为接收端电压，En为干扰电压，Eg为地电位差。
Er=Et+En-En=Et

由于采用双端平衡传输和差分接收，使得加在两根导线上的干扰信号可以相互抵消而不影响正常信号的传输，因而有效克服了噪声干扰。同时由于光隔离器的作用，使得两台通讯设备之间的地电位差Eg不会对信号有任何影响。从而彻底解决了通讯中的串扰和噪声干扰。

经实测，使用串口泵后在波特率为9600bps时通讯距离可达2公里，若降低通讯速率，则可相应延长通讯距离。

三、工作电源的窃取 

本装置不需外接电源，其工作电源从RS232接口上窃取。如图4所示：图中TXD、RTS、DTR是RS232的输出信号，每根信号线可提供约9mA的输出电源，通讯时其电压在+10V和-10V之间跳变，通讯停止后其电压极性不定，但开机上电时全部为-10V。该三个信号经D1～D6全波整流和C1、C2滤波后得到+9V和-9V直流电压，若是开机上电状态则只有-9Ｖ电压。IC1和IC2分别是负电压到正电压转换器和正电压到负电压转换器，将输入电压转换极性并升压，这样无论TXD、RTS、DTR是什么极性都能在DW1和DW2端得到＋９V和－９Ｖ的稳定电压。亦即不需靠软件设置来得到工作电压，确保适合所有软件！其实只需以上任意一根信号线即可满足要求。

图 4
四、瞬态电压干扰接口保护

由于本装置采用平衡差分传输方式，因而具有良好的抗电磁干扰能力，光电隔离电路能有效的抑制地电位差的干扰。采用屏幕电缆对抑制射频干扰很有效，但屏蔽电缆线的电容较大，会相应降低通讯速率。除上述常见干扰因素外，瞬态电压干扰是威胁通讯接口安全的元凶之一。
瞬态电压抑制器TVS是一种高效能的电路保护器件，外形及符号同普通稳压管，所不同的是，它是一种特制的齐纳二级管，能经受高达数千伏的脉冲电压和数十乃至数百安培的浪涌电流，能承受的功率高达数千瓦。同时TVS具有极小的极间电容，并不会影响信号的正常传输。

图 5
图５给出了本采用TVS的保护电路。在发送端和接受端各采用３个TVS单元，分别对线路之间、线路对地之间的瞬态电压干扰进行抑制，消除了由于强电进入而产生通讯口被烧毁的现象，从而有效的保证了整个通讯系统的安全运行。

五、结束语

串口泵可广泛用于各种工业控制系统、计算机通讯系统等一切采用RS232通讯的设备，对延长通讯距离、抗干扰和保护接口等方面不失为一种经济可靠的装置。根据以上原理，还可设计出RS232到RS422/RS485等各种通讯规程转换器，并且不需要外接电源。