Последовательный интерфейс RS-232

ПРИБОРНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ RS-232, CENTRONIX

СОПРЯЖЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ЭВМ.

Рассмотрим принципы обмена информацией, передаваемой в последовательной форме, между компьютером IВМ РС и такими внешними устройствами, как датчики и контроллеры.

Здесь рассматриваются только те важные с точки зрения практики особенности этих средств сопряжения, которые необходимо знать, чтобы эффективно использовать интерфейсы в большинстве приложений. Хотя параллельный интерфейс для сопряжения различных устройств проще в реализации и требует меньшего объема аппаратных средств, последовательный интерфейс более универсален.

Один из практических примеров, когда последовательный интерфейс предпочтительнее параллельного, — это передача данных на относительно удаленное периферийное устройство. Для такой передачи в последовательном интерфейсе требуется всего один провод, тогда как в случае передачи данных в параллельной форме необходимо, как правило, восемь проводов. Однопроводная передача имеет два преимущества. Одно из них связано с тем, что стоимость кабеля и необходимого набора линейных формирователей и приемников будет для нее существенно ниже, чем стоимость технических средств для эквивалентной многопроводной конфигурации. Ввиду этого, и особенно при необходимости передачи на большие расстояния, последовательный интерфейс, скорее всего, окажется значительно экономичнее параллельного. Кроме того, последовательная передача данных дает возможность пользоваться коммерческими системами связи, например обычной телефонной сетью или стан­дартными каналами передачи цифровой информации.

На рис.1 приведены упрощенные структурные схемы парал­лельного и последовательного связных интерфейсов. На них показа­на передача четырехразрядного символа (1011) по каждому из этих интерфейсов. В случае параллельного интерфейса каждыйего провод выделен для передачи определенного разряда данных (т. е. старшего, младшего и т. д.) – таким образом можно сразу опреде­лить, какое слово передано. В случае последовательного интерфейса все разряды передаются по одному проводу. Мы можем контролировать любой разряд, зная его положение в последовательном по­токе данных, а также его длительность. В соответствии со сложив­шейся практикой первым в слове передается младший разряд. Об­ратите внимание, что для обеспечения правильности передачи обычно требуется выполнить процедуру квитирования установления связи между передатчиком и приемником. Это необходимо всегда, за исключением тех случаев, в которых скорость передачи столь мала, что практически невозможна ситуация, когда приемник не будет ус­певать воспринимать данные. Число линий, необходимых для пере­дачи сигналов квитирования, не зависит от типа передачи (последо­вательный или параллельный). Для передачи одногосимвола после­довательному каналу требуется больше времени, чем параллельно­му. Передача n-разрядного символа по последовательному каналу занимает по меньшей мере в n раз больше времени, чем его переда­ча через параллельный интерфейс. Однако скорость обмена данны­ми, значительно превосходящая те, которые необходимы в большинстве систем, где используются датчики и контроллеры, дости­гается иными методами. Последовательная передача часто применяется и в средствах управления механическими устройства­ми, например принтерами, без какого-либо проигрыша в их бы­стродействии, поскольку время реакции такого устройства существенно превышает длительность передачи управляющего словаприсредней скорости последовательного обмена двоичной инфор­мацией.

Асинхронный метод передачи

В последовательной системе связи разряды данных передаются одним потоком. Асинхронная последовательная система связи поз­воляет передавать за «один прием» по одному символу (т. е. один набор двоичных разрядов). В синхронных системах связи передача многоразрядного или многосимвольного сообщения осуществляется в виде одного непрерывного потока двоичных данных. В этой главе мы ограничимся рассмотрением только асинхронной передачи.

Длительность одного двоичного разряда определяется выбран­ной скоростью передачи. Она выбирается исходя из рабочих харак­теристик передающего и приемного устройств. Компьютер IВМ РС может передавать и принимать данные со стандартной скоростью, находящейся в пределах от 50 до 115200 бод.

На рис. 2 показано, как осуществляется асинхронная передача одного символа. В каждом такте на передающую линию через ин­терфейс направляется один разряд и, как правило, интерфейс программируется на передачу данных наборами по одному байту (т. е. по одному символу). Передатчик не синхронизован с приемником — приемник «не знает», когда передатчик будет направлять ему дан­ные. Следовательно, необходимы средства, способные сигнализиро­вать о том, что на приемник готов поступить новый байт. Эта за­дача решается путем передачи на вход приемника дополнительного разряда, который называется стартовым и поступает непосред­ственно перед началом передачи байта данных. Передатчик, нахо­дясь в состоянии ожидания» постоянно передает отрицательный уровень напряже­ния, соответствующий логической единице на цифровом входе (см. рис. 2) (иногда он именуется маркером). Переключение с единицы на нуль сигнализирует прием­нику, что вскоре начнется передача потока данных, составляющих символ. Первый разряд этого потока, равный нулю (иногда его называют пробелом), именуется стартовым разрядом.

После обнаружения перехода с 1 на 0,т. е. перехода с –12в на +12в на входе приемника, последний считывает сиг­нал с входной линии через интервал времени, равный половине дли­тельности одного разряда, — это гарантирует, что принятый логи­ческий 0 будет действительно нулем, а не помехой из-за переходно­го процесса. В этот момент времени, если линия по-прежнему находится в состоянии логического 0, приемник воспринимает стар­товый разряд как действительный и приступает к последовательному считыванию входной линии с одноразрядными интервалами. Он формирует символ в соответствии с предварительно запрограмми­рованными параметрами символа, к числу которых относятся дли­на символа в двоичных разрядах и выбранный тип контроля по четности. Если же стартовый разряд признается недействительным, приемник игнорирует обнаруженный 0 и возвращается в состояние ожидания до поступления следующего действительного стартового разряда. Вероятность обнаружения ложного стартового разряда или игнорирования действительного стартового разряда очень ма­ла, поскольку весьма маловероятно, что шумовые всплески возник­нут в те самые моменты времени, когда осуществляется считыва­ние входной линии приемника.

При асинхронной передаче символ заканчивается передачей од­ного или двух стоповых разрядов (логических единиц), причем для любой скорости передачи, превышающей 100 бод, как правило, ис­пользуется один стоповый разряд. Передатчик направляет на ли­нию последовательность единиц (т. е. –12в) во всех случаях, когда нет готового к передаче символа.

На рис. 2 приводится пример передачи одного байта данных по RS 232. В отсутствие байта, готового к передаче, асинхронный адаптер обычно передает последовательность отдельных разрядов, равных единице (называе­мую сигналом маркера), продолжая ее до тех пор, пока он не будет готов передать информационный байт. Затем адаптер сигнализиру­ет посылкой нуля в течение периода длительностью в один разряд (специальный стартовый разряд) о том, что сейчас последует пере­дача байта.

Важнейшую роль при последовательной передаче данных игра­ют тактовые сигналы. При асинхронном методе передачи на них накладывается единственное ограничение: частоты следования так­товых сигналов в передатчике и приемнике должны быть одинако­выми, причем допуск на их расхождение очень мал. Значение часто­ты следования тактовых сигналов должно быть равным целому кратному частоты следования двоичных разрядов, выдаваемых пе­редатчиком (чаще всего используется тактовая частота, в 16 раз превышающая частоту следования разрядов).

Операции последовательной передачи реализуются специализи­рованной ИС, получившей название «универсальный асинхронный приемопередатчик» (УАПП). В асинхронном связном адаптере компьютера IВМ РС в качестве УАПП используется микросхема 8250 фирмы Nаtional Semiconductor.

Квитирование установления связи

Чтобы установить надежнуюсвязь, устройства, как правило, выдают сигналы, с помощью которых они «информируют» друг друга о том, имеются ли у них данные для передачи или готовы ли они к приему данных. Если одно устройство направляет какой-либо символ другому устройству, которое в тот момент занято вы­полнением какой-либо иной задачи, то переданный сигнал будет по­терян. Квитирование — это процедура обмена сигналами для уста­новления связи, осуществляемой только при определенных условиях.

Чтобы информировать приемник о наличии данныхдля переда­чи, передатчик направляет сигнал «запрос передатчика»(RTS). Этот сигнал либо прерывает текущую операцию, либо приемник фикси­рует его поступление в процессе циклического опроса. Обнаружив такой сигнал, приемник заканчивает текущую операцию и отвеча­ет передатчику сигналом «готов к приему» (СТS), указывающим, что приемник готов к приему символов. Передатчик не пере­дает никаких данных до тех пор, пока на его вход не поступит сиг­налCTS.

Сигналы квитирования установления связи имеют разные назва­ния в различных системах. В более совершенных системах исполь­зуются также дополнительные сигналы квитирования. Обратите внимание, что в системах с двусторонним обменом данными требу­ются все упомянутые выше сигналы квитирования. В то же время в системах с односторонней передачей, например в системе сбора информации от датчиков, где компьютер только принимает инфор­мацию, а датчик только передает, достаточно использовать лишь два сигнала квитирования — один входной и один выходной. Бывают ситуации, когда необходим быстрый отклик на сигнал, поступивший по линии квитирования. Так, например, датчик через короткое время после его перевода в активное состояние будет, по всей вероятности, выдавать достоверную информацию. В данном случае компьютер обращается к этому датчику, переводит его в ак­тивное состояние, «выжидает» в течение короткого промежутка времени, а затем считывает сигналы, формируемые датчиком.

Электрические и механические требования стандарта RS-232

Стандартный интерфейс RS-232 был первоначально разработан для сопряжения терминалов или оконечного оборудования данных (ООД) с модемом (модулятором/демодулятором) или аппаратурой передачи данных (АПД). В настоящее время этот интерфейс используется для сопряжения практически любого устройства с персо­нальными компьютерами IВМ РС, а также с аналогичными ком­пьютерами других типов. Асинхронный связной адаптер компьюте­ра IВМ РС обеспечивает реализацию интерфейса ООД типа RS-232С в соответствии со стандартом ЕIА.

В табл. 1 показаны все основные линии необходимые для полной реализации интерфейса RS-232.

Таблица 1

Наименова- ние	Номер контакта	Функция со стороны ООД
выв.	выв.	Направление ООД-АПД (¬®)
TXD			®	Передавемые данные	Пара данных
RXD			¬	Принимаемые данные
RTS			®	Запос передачи	Пара квитирования
CTS			¬	Готов к передаче
DTR			®	ООД готово	Пара квитирования
DSR			¬	АПД готова
RCD			¬	Детектор принимаемого сигнала	Разрещение Входа ООД
RI			¬	Индикатор вызова
FG		-	¬	Защитное заземление (= корпус)
SG				Сигнальное заземление

На рис.3 показаны схемы кабелей, обеспечивающих правильные соединение для различных ситуаций. На схеме а) показаны соединения для пары устройств ООД-АПД, когда оба устройства используют полный протокол квитирования. На схеме в) показан кабель, так называемого, «нуль модема» с перекрещенными входами и выходами для пары ООД-ООД. Тот же кабель годится и для пары АПД-АПД, только нужно изменить направление стрелок на рисунке и опустить соединение контакта 8. Если, однако, одно устройство реализует протокол квитирования, а другое – нет, кабели а) и в) не годятся. В этом случае самое простое - распаять кабели таким образом, чтобы устройство само отвечало на свои же сигналы квитирования и разрешало самому себе переход к следующим операциям. Такое соединение показано на схеме б) для пары ООД-АПД и на схеме г) для пары ООД-ООД (или пары АПД-АПД, но тогда следует опустить соединение контакта 8).

В табл. 2 приведены основные характеристики интерфейса RS-232.

Рис.3. Схемы кабелей, обеспечивающих правильные соединение.

Таблица 2

RS-232
Режим	Несимметричный
Максимальное число:
Драйверов
Приемников
Максимальная длина кабеля,м
Максимальная скорость передачи,бит/сек
Уровни передачи,В
мин.	±5
макс.	±15
Чувствительность приема, В	±3
Импеданс нагрузки, кОм	3-7
Предельный выходной ток, мА
Выходной импеданс драйвера, Ом

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОСОБЕННОСТИ В ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОЙ, КАБЕЛЬНОЙ И КОНДЕНСАТОРНОЙ ТЕХНИКЕ

Датчики для применения в промышленных условиях

Это датчики влажности и загазованности, давления, угла поворота, температуры, приближения, вибрации и перемещения, уровня и скорости жидкости и т.д.

Промышленные датчики отличается от обычных коммерческих датчиков, тем, что, предназначенные для работы в условиях пыли, внезапных ударов, жары и влажности. При поиске датчиков, удовлетворяющих конкретным требованиям, следует обратить внимание не столько на наличие превосходных характеристик, сколько на степень соответствия возможностей изделия конкретным условиям применения. Это не только обеспечит эффективность решения технической задачи, но, возможно, позволит воспользоваться более дешевой моделью. Производители, понимая это, выпускают, как правило, многовариантные модели, и любая крупная промышленная фирма представляет блок предложений, посвященных датчикам.