太阳能热水器中一线通信接口转换电路的设计

　　0 引言

　　基于可靠性、安全性、易于安装维护及方便使用等方面的设计考虑，将太阳能热水器控制系统分成两部分，通过低压直流电源线和通信线连接。安装在户外的主控制器主要完成水位和水温的实时检测和水泵的开关控制，户内的线控器主要实现显示状态及控制功能。

　　1 系统结构框图

　　太阳能热水器控制系统组成框图如1所示。

　　主控制器与线控器均采用微处理器作为核心器件。微处理器内部带有通用异步收发器（UART），其硬件上有两根引线，一根为接收线，一根为发送线，接口电平为CMOS电平。为了延长通信距离、提高通信质量，通常转换成标准的全双工RS 232接口或半双工RS 485接口。RS 232 接口在20 m 以内通信，RS 485 可以在1 200 m内通信。

　　无论采用以上哪种通信接口，主控制器与线控器的连接线需要两根电源线，两根通信线，布线成本较高。

　　若微处理器的UART接口转换为一线接口，只要两根用作电源线，一根用作通信线，对于远距离通信的应用场合，不仅安装方便，而且降低布线成本。故此，国内外科研人员纷纷投入研究，并且取得了良好的应用效果。

　　但与UART 接口连接时，1-Wire总线和LIN总线需要使用专用芯片实现接口转换，不仅增加了成本，且受协议约束增加了使用的复杂性。

　　本文采用普通元器件，在原有电路的基础上，设计了一种一线通信接口转换电路，能在UART 接口之间实现高速远距离透明传输，达到了降低布线成本、使用简单灵活的目的。

　　2 问题的提出

　　一种应用于UART 接口的一线通信接口转换电路由输出转换电路和输入转换电路两部分构成，其中输出转换电路由Q1,Q2,D1,R1,R2 组成，输入转换电路由Q3,D2,R3~R5 组成，D1 和D2 为保护二极管，电路原理图如图2所示。

　　UART 接口处于接收状态时，发送端TXD 为高电平，使Q2饱和导通，Q1截止，通信线（通信接口P1的2引脚）为低电平；Q3 也处于截止状态，接收端RXD 为高电平。若通信线为高电平，Q3进入饱和状态，接收端RXD为低电平。UART接口处于发送状态时，发送端TXD的电平有高有低，若为低电平时，使Q2截止，Q1饱和导通，向通信线输出高电平；此时，接收转换电路的Q3也进入饱和状态，使得接收端RXD 为低电平，引发接收中断。[page]

　　当主控制器与线控器安装的距离较远时，就不得不考虑分布电容的影响，导线间的分布电容可用电平行导电板之间的电容计算公式直接求得：

　　式中：ε 为导线绝缘层的介电常数；S 为导线的水平截面积；d 为导线间距离。

　　若通信线的长度有50 m,分布电容有2 nF,取2 nF电容并连在通信线上进行仿真实验，观察上升沿和下降沿的延迟情况，第一通道为主控制器中TXD端的波形，第二通道为线控器中RXD 端的波形，测试结果如图3所示。

　　从图3 可以看出分布电容使得RXD 端产生50 μs的延迟，根据UART接口通信的波特率误差不大于4.5%的要求，在分布电容2 nF的情况下，通信的波特率可以算出：

　　式中：Bd 为波特率；T 为延迟时间；R 为允许误差。

　　将T = 50 μs,R = 4.5 %代入式（2）中，得：

　　式中：Bd 为波特率；T 为延迟时间；R 为允许误差。

　　将T = 50 μs,R = 4.5 %代入式（2）中，得：

　　使用该接口转换电路，可选用的常用通信波特率的最大值仅600 b/s.

　　因此，该转换电路存在的不足在于：

　　（1）UART 接口会接收到本机发送的数据，引发接收中断，降低了微处理器的通信可靠性及工作效率；（2）受导线分布电容影响，通信速率低，影响了线控器的响应速度，降低了人机交互的操作体验。

　　3 接口转换电路的设计图4 为基于74HC00 与非门IC 设计的一种新型一线通信接口转换电路。图中，输出转换电路由U1A,U1C,Q1,Q2,D1,R1 ,R2 组成，输入转换电路由U1B,D2,D3,R3 ~ R5 组成，D1和D3为保护二极管，D2为5.1 V稳压二极管。当UART 接口发送数据，TXD 端为低电平时，与非门U1B的4引脚为低电平，6引脚为高电平，使RXD端一直保持高电平，从而克服了本机发送数据时反馈到接收端的问题。

　　在输入转换电路中，由D2和R4 构成了触发电路，能够减少通信线上分布电容的影响，提高通信速率。通过式（4）可计算出RXD 端从低电平转变成高电平时通信线上的最高电压UTL :

　　式中：VZ 为稳压二极管D2 的稳压值，VCC × 30% 是74HC00 芯片输入为低电平的条件。将VZ = 5.1 V,VCC = 5 V 代入式（4）中，得UTL = 6.6 V.当通信线上的电压小于6.6 V 时，RXD端将从低电平转变成高电平。通过式（5）可计算出RXD 端从高电平转变成低电平时通信线上的最低电压UTH :

　　式中：VCC × 70% 是74HC00 芯片输入为高电平的条件。

　　将VZ = 5.1 V,VCC = 5 V 代入式（5）中，得UTH = 8.6 V.当通信线上的电压大于8.6 V 时，RXD端将从高电平转变成低电平。[page]

　　取2 nF 电容并连在通信线上进行仿真实验，观察上升沿和下降沿的延迟情况，第一通道为主控制器中TXD端的波形，第二通道为线控器中RXD端的波形，测试结果如图5所示。

　　从图5可以看出分布电容使得RXD端产生0.729 μs的延迟，在分布电容2 nF的情况下，将T = 0.729 μs代入式（2）中，得：

　　$6.。

　　使用该接口转换电路，可选用的常用通信波特率的最大值为57 600 b/s.同时，电路中74HC00芯片的工作电压范围为2~5 V,能够与工作在2~5 V 的微处理器UART 接口直接连接，不需要进行电平转换，因此使用变得简单灵活。

　　4 结论

　　本文设计的太阳能热水器线控器一线通信接口转换电路，已应用于福州众望达太阳能技术开发有限公司的工程项目中，结果表明：该电路具有通信速率高、节省布线成本、工作稳定可靠的优点。本文对于分体空调、各种监控系统的通信接口设计具有一定的参考价值。