摘 要： 本文主要介绍了利用施密特触发器实现通信指示灯电路的基本原理及其电路结构。利用本文介绍的技术实现的通信指示灯电路具有通用性好, 结构紧凑, 性能稳定、可靠, 不占用单片机CPU资源以及造价低廉等特点。
关键词： 施密特触发器; 脉冲展宽; 通信; 指示灯; 单片机; RS232; 串口;
在数字通信设备中, 往往需要配置用于提示系统是否正在进行数据传输的指示灯电路, 以提醒用户注意并方便用户进行故障诊断。例如, 在以太网通信中, 网络接口卡上RJ45接口的指示灯, 在网络上有数据传输时, 这个指示灯会不断地闪烁, 而在没有数据传输时指示灯会熄灭。
在一些为专用用途开发的数据采集系统中也需要这样的通信指示灯。在这些应用中, 往往需要开发人员自己设计实现这样的指示灯功能。这是一个看起来非常简单, 但实现起来却并不轻松的功能。
以单片机实现的通信系统为例, 实现通信指示的程序处理逻辑基本是这样的:在准备通信之前 (包括发送数据和接收数据) 将单片机的某个IO端口置1, 使其输出高电平, 从而驱动指示灯点亮或闪烁, 在通信完成后再将该端口清0, 使其输出低电平, 从而熄灭指示灯。
上述通信处理逻辑是最直接的处理方式, 当然也是正确的处理方式。但是, 这种方式有一个很棘手的问题需要解决:如何处理通信时间很短 (毫秒甚至微秒级) 的情况。因为通信设备的通信速度可能很快, 例如, 即使是对于像RS232 (串口) 这样的低速通信设备来说, 在9600波特率、8位数据位的情况下, 传输一个字节数据所需的时间仅为1ms左右, 按照上述通信程序处理逻辑, 指示灯仅会点亮或闪烁1ms, 但这么短的点亮时间, 人眼根本观察不到, 人眼能分辨的点亮时间至少应在0.1s即100ms以上。
为了能够让人眼看清指示灯, 必须想办法延长指示灯的点亮时间。有两种办法可以实现这个目的:软件编程方式, 硬件电路方式。
软件编程方式需要修改上述通信程序处理逻辑, 在系统中增加定时器, 利用定时器定时来达到延长指示灯闪烁时间的目的, 总之, 这种方式需要CPU的配合, 会占用CPU时间和定时器资源, 同时也增加了程序复杂度。
硬件电路方式则完全使用硬件来达到延长指示灯闪烁时间的目的, 不需要修改通信程序处理逻辑, 不会增加程序复杂度, 也不会占用CPU时间, 是最为理想的解决方案, 但对该电路应有两个基本的要求:结构简单, 造价低廉。本文主要介绍如何利用施密特触发器来实现这样的电路, 为方便叙述, 以下简称该电路为转换电路。
1、 脉冲展宽
由前述通信处理程序逻辑可知, 通信处理程序在通信过程中相当于在IO端口输出了一个相对较短的脉冲信号, 转换电路的作用就是要将该短脉冲进行展宽, 如图1所示。
能够实现这种脉冲展宽的电路有很多种, 最典型的脉冲展宽电路如图2所示, 其中G1、G2为非门 (反相器) , R为电阻, C为电容, D为二极管, VCC为供电电源。该电路的工作原理为:
(1) 输入保持低电平时 (稳态) , G1输出高电平, D截止, G2输入端被电源直接拉高为高电平 (除电路刚上电的瞬间外, C为充满电状态) , 因此, 电路输出为低电平;
(2) 输入由低电平变为高电平时 (暂态) , G2输出低电平, D导通, C通过D迅速放电, G2输入端被D直接拉低为低电平, 因此, 电路输出为高电平;
(3) 输入保持高电平时 (稳态) , 同上, 电路输出高电平;
(4) 输入由高电平变为低电平时 (暂态) , G1输出高电平, D截止, 由于此前C已通过D被完全放电, 故此时电源将通过R对C充电, 所以G2输入端不会马上变为高电平, 还会维持一段时间的低电平直到C被充电到电压超过G2的阈值电压, 因此, 在此期间电路仍会保持高电平输出。
图1
图2
综上所述, 该电路即可实现将窄脉冲展宽的目的。
输出脉冲的展宽时间主要取决于R、C的值, 即ΔT≈R×C。因此, 修改R、C的值即可调整输出脉冲的展宽时间, 例如当R=1MΩ, C=1μF时, 脉冲将被展宽1s左右。
2、 施密特触发器
门电路有一个阈值电压, 当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。
普通门电路只有一个阈值电压。施密特触发器是一种特殊的门电路, 与普通门电路不同的是, 施密特触发器有两个阈值电压, 分别称为正向阈值电压 (V+) 和负向阈值电压 (V-) 。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压, 在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。通过适当调整V+与V-的值, 施密特触发器可以阻止输入电压出现微小变化 (抖动) 时引起输出电压的改变, 因此, 可提高电路的稳定性。
3、 改进的脉冲展宽电路
前述脉冲展宽电路中使用的是普通门电路 (G1、G2, 非门) , 对于该电路, 我们希望G1的正向和负向阈值电压都相对低一些以适当延长输入脉冲的宽度, 而对于G2则希望正向阈值电压相对高一些, 为电容C提供足够的充电空间, 从而延长脉冲展宽时间。综上所述, 在脉冲展宽电路中使用施密特触发器 (反向) 要比使用普通门电路 (非门) 更为合适, 如图3所示。
图3
这就是本文介绍的脉冲展宽电路的最终形式, 该电路的工作原理与图2类似, 在此不再赘述。
3、结论
利用施密特触发器设计的脉冲展宽电路是通信指示灯电路的前驱电路, 在其后可直接接发光二极管组成长明型指示灯电路或接闪烁电路组成闪烁型指示灯电路。
利用本文介绍的技术设计通信指示灯电路可大大提高电路的稳定性, 同时也可降低通信程序逻辑的复杂度, 缩短开发周期, 提高系统稳定性和健壮性。
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