張偉 楊振龍 陳月紅

摘 要：本文主要介紹了利用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)通信指示燈電路的基本原理及其電路結(jié)構(gòu)。利用本文介紹的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的通信指示燈電路具有通用性好，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定、可靠，不占用單片機(jī)CPU資源以及造價(jià)低廉等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：施密特觸發(fā)器；脈沖展寬；通信；指示燈；單片機(jī)；RS232；串口

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在數(shù)字通信設(shè)備中，往往需要配置用于提示系統(tǒng)是否正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹甘緹綦娐?，以提醒用戶注意并方便用戶進(jìn)行故障診斷。例如，在以太網(wǎng)通信中，網(wǎng)絡(luò)接口卡上RJ45接口的指示燈，在網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，這個(gè)指示燈會(huì)不斷地閃爍，而在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)指示燈會(huì)熄滅。

在一些為專用用途開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中也需要這樣的通信指示燈。在這些應(yīng)用中，往往需要開發(fā)人員自己設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這樣的指示燈功能。這是一個(gè)看起來非常簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)起來卻并不輕松的功能。

以單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的通信系統(tǒng)為例，實(shí)現(xiàn)通信指示的程序處理邏輯基本是這樣的：在準(zhǔn)備通信之前（包括發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)）將單片機(jī)的某個(gè)IO端口置1，使其輸出高電平，從而驅(qū)動(dòng)指示燈點(diǎn)亮或閃爍，在通信完成后再將該端口清0，使其輸出低電平，從而熄滅指示燈。

上述通信處理邏輯是最直接的處理方式，當(dāng)然也是正確的處理方式。但是，這種方式有一個(gè)很棘手的問題需要解決：如何處理通信時(shí)間很短（毫秒甚至微秒級(jí)）的情況。因?yàn)橥ㄐ旁O(shè)備的通信速度可能很快，例如，即使是對(duì)于像RS232（串口）這樣的低速通信設(shè)備來說，在9600波特率、8位數(shù)據(jù)位的情況下，傳輸一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間僅為1ms左右，按照上述通信程序處理邏輯，指示燈僅會(huì)點(diǎn)亮或閃爍1ms，但這么短的點(diǎn)亮?xí)r間，人眼根本觀察不到，人眼能分辨的點(diǎn)亮?xí)r間至少應(yīng)在0.1s即100ms以上。

為了能夠讓人眼看清指示燈，必須想辦法延長(zhǎng)指示燈的點(diǎn)亮?xí)r間。有兩種辦法可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的：軟件編程方式，硬件電路方式。

軟件編程方式需要修改上述通信程序處理邏輯，在系統(tǒng)中增加定時(shí)器，利用定時(shí)器定時(shí)來達(dá)到延長(zhǎng)指示燈閃爍時(shí)間的目的，總之，這種方式需要CPU的配合，會(huì)占用CPU時(shí)間和定時(shí)器資源，同時(shí)也增加了程序復(fù)雜度。

硬件電路方式則完全使用硬件來達(dá)到延長(zhǎng)指示燈閃爍時(shí)間的目的，不需要修改通信程序處理邏輯，不會(huì)增加程序復(fù)雜度，也不會(huì)占用CPU時(shí)間，是最為理想的解決方案，但對(duì)該電路應(yīng)有兩個(gè)基本的要求：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。本文主要介紹如何利用施密特觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)這樣的電路，為方便敘述，以下簡(jiǎn)稱該電路為轉(zhuǎn)換電路。

1 脈沖展寬

由前述通信處理程序邏輯可知，通信處理程序在通信過程中相當(dāng)于在IO端口輸出了一個(gè)相對(duì)較短的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換電路的作用就是要將該短脈沖進(jìn)行展寬，如圖1所示。

能夠?qū)崿F(xiàn)這種脈沖展寬的電路有很多種，最典型的脈沖展寬電路如圖2所示，其中G1、G2為非門（反相器），R為電阻，C為電容，D為二極管，VCC為供電電源。該電路的工作原理為：

（1）輸入保持低電平時(shí)（穩(wěn)態(tài)），G1輸出高電平，D截止，G2輸入端被電源直接拉高為高電平（除電路剛上電的瞬間外，C為充滿電狀態(tài)），因此，電路輸出為低電平；

（2）輸入由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)（暫態(tài)），G2輸出低電平，D導(dǎo)通，C通過D迅速放電，G2輸入端被D直接拉低為低電平，因此，電路輸出為高電平；

（3）輸入保持高電平時(shí)（穩(wěn)態(tài)），同上，電路輸出高電平；

（4）輸入由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)（暫態(tài)），G1輸出高電平，D截止，由于此前C已通過D被完全放電，故此時(shí)電源將通過R對(duì)C充電，所以G2輸入端不會(huì)馬上變?yōu)楦唠娖?，還會(huì)維持一段時(shí)間的低電平直到C被充電到電壓超過G2的閾值電壓，因此，在此期間電路仍會(huì)保持高電平輸出。

綜上所述，該電路即可實(shí)現(xiàn)將窄脈沖展寬的目的。

輸出脈沖的展寬時(shí)間主要取決于R、C的值，即ΔT≈R×C。因此，修改R、C的值即可調(diào)整輸出脈沖的展寬時(shí)間，例如當(dāng)R=1MΩ，C=1μF時(shí)，脈沖將被展寬1s左右。

2 施密特觸發(fā)器

門電路有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時(shí)電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。

普通門電路只有一個(gè)閾值電壓。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通門電路不同的是，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓（V+）和負(fù)向閾值電壓（V-）。在輸入信號(hào)從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號(hào)從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。通過適當(dāng)調(diào)整V+與V-的值，施密特觸發(fā)器可以阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化（抖動(dòng)）時(shí)引起輸出電壓的改變，因此，可提高電路的穩(wěn)定性。

3 改進(jìn)的脈沖展寬電路

前述脈沖展寬電路中使用的是普通門電路（G1、G2，非門），對(duì)于該電路，我們希望G1的正向和負(fù)向閾值電壓都相對(duì)低一些以適當(dāng)延長(zhǎng)輸入脈沖的寬度，而對(duì)于G2則希望正向閾值電壓相對(duì)高一些，為電容C提供足夠的充電空間，從而延長(zhǎng)脈沖展寬時(shí)間。綜上所述，在脈沖展寬電路中使用施密特觸發(fā)器（反向）要比使用普通門電路（非門）更為合適，如圖3所示 。

這就是本文介紹的脈沖展寬電路的最終形式，該電路的工作原理與圖2類似，在此不再贅述。

結(jié)論

利用施密特觸發(fā)器設(shè)計(jì)的脈沖展寬電路是通信指示燈電路的前驅(qū)電路，在其后可直接接發(fā)光二極管組成長(zhǎng)明型指示燈電路或接閃爍電路組成閃爍型指示燈電路。

利用本文介紹的技術(shù)設(shè)計(jì)通信指示燈電路可大大提高電路的穩(wěn)定性，同時(shí)也可降低通信程序邏輯的復(fù)雜度，縮短開發(fā)周期，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和健壯性。

參考文獻(xiàn)

[1]程國(guó)鋼，陳躍琴，崔荔蒙.51單片機(jī)典型模塊開發(fā)查詢手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2015.

[3]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2010.