ВВЕДЕНИЕ
Последовательные интерфейсы используются для связи двух или более устройств между собой. Характерная черта таких интерфейсов – использование последовательного метода передачи цифровой информации, при котором данные передаются последовательно бит за битом, для чего используется всего лишь одна линия. При этом физическая реализация двустороннего обмена может осуществляться с помощью 2 – 3 проводов. Значительное (по сравнению с параллельными интерфейсами) сокращение числа каналов передачи и проводов позволило упростить и удешевить приемопередающие устройства и кабельные системы. В общем, последовательные интерфейсы отличаются лучшей помехоустойчивостью [здесь не учитывается влияние типа линий передачи], поскольку в них исключено взаимное влияние между линиями данных (фактически, линия данных всего одна, а, например, в 8-разрядном параллельном интерфейсе – 8). Сравнительная простота и низкие аппаратные требования обусловили широкое использование последовательных интерфейсов в электронике и смежных областях. Наибольшее распространение из них получили интерфейсы 1-Wire, I2C, SPI, CAN, RS-485, RS-232, USB, Firewire. Каждый из перечисленных интерфейсов имеет свои достоинства и недостатки, и определяемую ими область использования. В частности, первые 4 интерфейса преимущественно используются в микроконтроллерных системах, последние 4 – для связи ПК с периферийным оборудованием. Последовательный интерфейс RS-232, разработанный несколько десятков лет назад [разработка стандарта проводилась, начиная с 1960 г.] для компьютеров (в основном для связи с модемами) и являющийся «патриархом» в своем роде, до сих пор не утратил своего коммуникационного назначения. Такое долголетие (особенно с учетом преимуществ других стандартов) отчасти объясняется развитием микроконтроллерной техники, которая в настоящее время повсеместно используется в системах автоматизации, сбора и обработки различных данных, встраиваемых системах различного назначения. При этом интерфейс RS-232 оказался едва ли не единственным средством связи между микроконтроллером (МК) и ПК, аппаратно присутствующем и в первом и во втором. В ПК за реализацию интерфейса отвечает COM-порт, а практически в любом МК есть один или несколько приемопередающих модулей (УАПП/UART, УСАПП/USART, SCI и пр.), аппаратно поддерживающих RS-232. Другие причины жизнеспособности интерфейса – сравнительная простота протокола обмена, поддержка во многих средах программирования на уровне библиотечных модулей, наличие доступных утилит, предназначенных для связи ПК с помощью COM-порта. Спецификация любого интерфейса включает в себя две составляющие: аппаратную и программную (логическую). Аппаратная часть (уровни напряжений, разъемы, назначение сигналов и пр.) описывается стандартом на интерфейс, описание программной часть (правил передачи данных) называется протоколом интерфейса.
1. СТАНДАРТ RS-232
Аппаратная составляющая интерфейса регламентируется стандартом RS-232 (EIA/TIA – 232 – E) Ассоциации электронной промышленности и рекомендациями V.24 МККТТ [Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии]. Более подробно история создания и эволюции стандарта описаны в [1]. Стандарт RS-232 (его официальное название Interface between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Termination Equipment employing serial binary data interchange) предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (обозначается как DTE – Data Terminal Equipment) [В качестве DTE может выступать компьютер, принтер или другое периферийное оборудование], к оконечной аппаратуре каналов данных (обозначается как DCE – Data Communication Equipment). Функция DCE состоит в обеспечении возможности передачи информации между двумя или большим числом DTE. Другими словами, DCE – это устройство, преобразующее сигнал в форму, подходящую для канала связи, например, в аналоговый сигнал для телефонной линии. При связи ПК с удаленным периферийным оборудованием в качестве DCE чаще всего выступает модем. Устройства DTE могут соединяться напрямую с помощью т.н. нуль-модемного кабеля. На рис. 1 показана полная схема соединения двух DTE – устройств.
Согласно стандарту RS-232, сигнал (последовательность битов) передается напряжением. Передатчик и приемник являются несимметричными: сигнал передается относительно общего провода (в отличие от симметричной передачи протоколов RS-485 или RS-422). Логическому нулю на входе приемника соответствует диапазон +3…+12 В, а логической единице – диапазон -12…-3 В. Диапазон -3…+3 В – зона нечувствительности, обеспечивающая гистерезис приемника (передатчика). Уровни сигнала на выходе должны быть в диапазоне -12…-5 В для представления логической единицы и +5…+12 В для представления логического нуля. Иллюстрация уровней представлена на рис. 2. Необходимо отметить, что интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с независимым питанием должно производиться при отключенном питании.
Рис. 2 – Уровни сигналов RS-232 на передающем и принимающем концах линии связи
Основные характеристики стандарта RS-232C следующие:
Максимальная длина кабеля определяется его совокупной емкостью, значение которой указано в стандарте – 2500 пФ. Поскольку характеристики используемых кабелей постоянно улучшаются (например, типичное значение погонной емкости типичного кабеля уменьшилось со 160 пФ до 50) [2], значение максимальной длины кабеля для RS-232, приводимой в разных источниках может варьироваться от 15 до 50 м.
Разъемы RS-232
Со стороны ПК интерфейс RS-232 может быть реализован с помощью 9-и или 25-контактных разъемов типа D-sub, обозначаемых соответственно как DB9 и DB25 [2]. Изначально наибольшее распространение имел разъем DB25, поскольку он позволял использовать все имеющиеся варианты RS-232. Стандартом предусмотрена возможность синхронной передачи данных, что могло потребовать использование дополнительных контактов, однако на практике такой способ передачи используется редко. Для асинхронной же передачи, подразумеваемой под RS-232 по умолчанию, хватает возможностей более миниатюрного DB9. Поэтому в настоящее время используется преимущественно он. В табл. 1 приведены обозначения контактов разъемов интерфейса RS-232 (согласно стандартам RS-232-A/B/C) и описание сигналов. Необходимо отметить, что номера одноименных контактов разных разъемов друг другу не соответствуют.
Таблица 1
Конструкция (тип) разъемов определяется стандартом RS-232-C: разъем DTE-устройства – вилка, DCE-устройства – розетка.
2. ПРОТОКОЛ RS-232
Как уже отмечалось, в интерфейсе RS-232 чаще всего реализуется асинхронный способ передачи [2]. При асинхронной передаче каждый символ (байт) пересылается отдельной посылкой. Посылка начинается со старт-бита, сигнализирующего приёмнику о начале посылки, за которым следуют биты данных (передача начинается с младшего бита) и, возможно, бит паритета (чётности). Завершает посылку один или два стоп-бита, гарантирующего паузу между посылками. Старт-бит следующей посылки посылается в любой момент после стоп-бита, за это режим и называется «асинхронный». Передатчик и приёмник работают на одной скорости передачи, самостоятельно вырабатывая внутренние стробирующие импульсы, в идеале располагающиеся на середине байта, что позволяет достоверно принимать информацию при незначительной рассинхронизации скоростей передатчика и приёмника (допустимое расхождение тактовых частот приемника и передатчика не более 10%). Пример сигнала передаваемого по интерфейсу RS-232 приведён на рис. 3.
 Рис. 3 – Формат асинхронной передачи по шине RS-232
Количество бит данных в посылке может иметь значение 5, 6, 7, 8 или 9. Наиболее распространёнными являются 7 и 8 битные конфигурации. Скорость передачи по RS-232 может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с. Следует отметить, что максимально достижимая скорость зависит от напряжений передатчика, емкости кабеля (как упоминалось выше), а также от наличия помех.
Проверка на чётность/нечетность в RS-232 (Parity). Для обнаружения ошибок при передаче данных может быть использован контроль чётности. При использовании контроля чётности подсчитывается число единиц в группе бит данных. Бит чётности устанавливается в зависимости от результата и выбранного метода контроля. При проверке на четность («even») значение контрольного бита устанавливается таким образом, чтобы общее количество единиц в посылке, включая бит четности, было четным (если число 1 нечетное – контрольный бит устанавливается равным 1, если четное – равным 0). При проверке на нечетность («odd») количество 1 посылки дополняется до нечетного числа с помощью контрольного бита. Разумеется и приемник и передатчик должны работать при одинаковых условиях контроля. Проверка на чётность это простейший способ обнаружения ошибок. Сигнальная линия может находиться в двух состояниях: включена и выключена. Линия в состоянии ожидания всегда включена. Когда устройство или компьютер хотят передать данные, они переводят линию в состояние выключено – это установка старт-бита. Биты сразу после старт-бита являются битами данных. Стоп-бит позволяет устройству или компьютеру произвести синхронизацию при возникновении сбоев. Например, помеха на линии скрыла старт-бит. Период между старт- и стоп-битами постоянен, согласно значению скорости обмена, числу бит данных и бита чётности. Стоп-бит всегда включён. Если приёмник определяет выключенное состояние, когда должен присутствовать стоп-бит, фиксируется появление ошибки. Есть возможность установки значения стоп-бита равным 1.5. Это используется при передаче менее 7 битов данных. В этом случае не могут быть переданы символы ASCII, и поэтому значение 1.5 используется достаточно редко. Наиболее часто используются трех- или четырехпроводная связь (для двунаправленной передачи). Схема соединения для четырехпроводной линии связи показана на рис. 4.
Рис. 4 - Схема 4-проводной линии связи для RS-232
ЛИТЕРАТУРА
-
Иди Ф. Сетевой и межсетевой обмен данными с микроконтроллерами. – М.: Издательский дом «Додэка XXI», 2007. – 376 с.
-
Парк Д., Маккей С., Райт Э. Передача данных в системах контроля и управления. – М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. – 480 с.
-
Кузьминов А.Ю. Интерфейс RS232. Связь между компьютером и микроконтроллером. – М.: Радио и связь, 2004. – 168 с.
-
Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами. – М. ДМК Пресс, 2001. – 320 с.
-
Агуров П. Последовательные интерфейсы ПК. Практика программирования. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 496 с. |
