Интерфейс стандарта RS-232

В настоящее время наиболее распространенным является стандарт, разработанный Ассоциацией промышленных средств связи (TIA, Telecommunication Industry Association) и Ассоциацией электронной промышленности (EIA, Electronic Industries Alliance) «ЕIА/ТIА-232-Е», более известный под названием
«RS-232» (RS – Recommended Standard). 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, к оконечной аппаратуре каналов данных. Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов.

Стандарт RS-232, в общем случае, описывает четыре интерфейсные функции:

определение управляющих сигналов через интерфейс;

определение формата данных пользователя, передаваемых через интерфейс;

передачу тактовых сигналов для синхронизации потока данных;

формирование электрических характеристик интерфейса.

Согласно стандарту RS-232, сигнал (последовательность битов) передается напряжением. Передатчик и приемник являются несимметричными:сигнал передается относительно общего провода (в отличие от симметричной передачи протокола RS‑485 или RS-422). В табл. 5.3 приведены границы напряжений для сигналов приемника и передатчика. 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 выходах должны быть в диапазоне –12...–5 В для представления логической единицы и +5...+12 В для представления логического нуля. Стандарт RS‑232 состоит из трех частей. Первая часть, стандарт RS-232C, была принята в 1969 году и содержит описание электрических цепей и сигналов несимметричной последовательной связи. Вторая часть, стандарт RS-232D, принята в 1987 году и определяет дополнительные линии тестирования, а также формально описывает разъем DB-25. Третья часть, RS-232E, принята в 1991 году.

Таблица 5.3

Границы напряжений СОМ-порта (стандарт RS-232)

Значение сигнала	Диапазон на- пряжения входа приемника	Диапазон напряжения выхода передатчика	Состояние управляющего сигнала	Состояние линии данных
Логический 0	от -12 до -3 В	от -12 до -5 В	ON	MARX
Логическая 1	от +3 до +12 В	от +5 до +12 В	OFF	SPACE

Рекомендация V.24 содержит описание линий и набора сигналов обмена между DTE и DCE. В RS-232 используются другие обозначения линий, однако линии интерфейса RS‑232 и рекомендации V.24 выполняют совершенно одинаковые функции. V.24 определяет большее количество линий, чем RS-232, поскольку стандарт V.24 используется и в других интерфейсах. В этом смысле RS-232 является подмножеством V.24. Рекомендация V.28 определяет только электрические характеристики интерфейса V.24, обеспечивающего работу по несимметричным двухполярным линиям обмена на скоростях до 20 Кбит/с. К таким характеристикам относятся уровни используемых сигналов, емкостное сопротивление и т.д. Данная рекомендация не содержит требований к длине кабеля, типу разъемов и расположению их контактов. Поэтому рекомендация V.28 может рассматриваться как подмножество стандарта RS-232.

Интерфейс RS-232 не обеспечивает гальванической развязки устройств. Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с независимым питанием должно производиться при отключенном питании.

Вследствие воздействия помех, активного и реактивного сопротивления соединительного кабеля между устройствами DTE и DCE существуют ограничения на его длину. Официальное ограничение по длине для соединительного кабеля по стандарту RS‑232 составляет порядка 15 м при скорости передачи около 20 Кбит/с. Однако на практике это расстояние может быть значительно больше и зависит от скорости передачи данных.

Протокол RS-232 имеет существенный недостаток – плохую помехозащищенность. Если для символьного протокола некоторой зашитой служит ограничение диапазона самих символов (например, в посылке числовых данных могут встречаться только символы «0...9», «.», «–» и, может быть, буквы), то для бинарного протокола необходимы дополнительные меры контроля данных.

Причины потери данных при передаче или приеме можно разделить на две категории: аппаратные и программные.

К аппаратным причинам потери данныхотносятся помехи на линии, некачественный проводник, несоответствие длины провода и скорости передачи и т. д. Бороться с такими причинами, конечно, надо, но не на программном уровне.

Потеря данных может возникать и при неправильной организации программы. Последовательная передача подразумевает, что все биты, посланные с одной стороны, будут приняты с другой. Более того, во время передачи и приема байта нельзя допускать никаких задержек: если байт не считан вовремя, он теряется и его место занимает следующий переданный байт. Аналогично, если хотя бы часть пакета данных будет потеряна, это чаще всего, означает потерю всего пакета данных.

Основная причина потери данных – программа занята обработкой других данных и не опрашивает порт. Возможно, в этот момент идет обработка предыдущего полученного пакета данных или программа занята диалогом с пользователем. Все эти причины сводятся к одной – неправильной организации программы.

При большой скорости передачи данных, очевидно, может возникнуть ситуация, когда время на обработку полученного пакета данных (например, рисование графика, анализ данных и сохранение их в файл) больше, чем время между получением пакетов.

В таких случаях необходимо некоторое промежуточное хранилище полученных данных – буфер.

Буферизация позволяет основному модулю не заботиться о скорости обработки данных. Конечно, размер буфера тоже ограничен, но обычно его выбирают достаточно большим.

Одной из причин потери данных является занятость приемника, в то время как передатчик продолжает передавать данные. Избежать переполнения можно, организовав обмен таким образом, чтобы приемник мог сообщать в своей занятости передатчику.

Конечно, обратная связь требует уже полного нуль-модемного провода, содержащего все необходимые линии. Система обратной связи может быть либо аппаратной, либо программной.

Аппаратная обратная связь заключается в выделении некоторой линии (например, DTR/DSR) для уведомления передатчика о возможностях приемника.

Способы борьбы с ошибками передачи можно разделить на две категории: не использующие обратную связь и использующие ее.

В первом случае на передающей стороне передаваемые данные кодируются одним из известных кодов с исправлением ошибок. На приемной стороне, соответственно, производится декодирование принимаемой информации и исправление обнаруженных ошибок. Исправляющая возможность применяемого кода зависит от числа избыточных битов, генерируемых кодером.

Если вносимая избыточность невелика, то существует опасность, что принимаемые данные будут содержать необнаруженные ошибки, которые могут привести к ошибкам в работе прикладного процесса. Если же использовать код с высокой исправляющей способностью (большой избыточностью), то это приводит к необоснованно низкой реальной скорости передачи данных.

В системах с обратной связью применяются процедуры обнаружения ошибок и переспроса, также называемые «обнаружением ошибок с автоматическим запросом повторения»(ARQ, Automatic Repeat Request). В этом случае к данным добавляется контрольная информация, достаточная только для вычисления достоверности данных. Каждый принятый блок данных (кадр)должен быть подтвержден специальным кадром, посылаемым и обратном направлении. Такой кадр содержит уведомление о правильности данных или запрос на повторение кадра. Таким образом, достигается оптимальное сочетание: передаваемый код не содержит избыточных данных, а принимающая сторона может управлять коррекцией ошибок. При этом ARQ также может быть старт-стопного типа (SAW), с возвратом на N шагов (GBN) или селективного повторения (SR).

Для обнаружения ошибок в данных могут применяться несколько методов:

посимвольный контроль четности (реализуется аппаратно в RS-232 с помощью контроля четности);

поблочный контроль четности (например, в протоколах ARQ);

добавление избыточного контрольного кода (CRC):

увеличение вероятности корректного распознавания начала посылки;

естественные методы контроля данных.

Порт RS-232 реализует аппаратный контроль четности (или как его еще называют, контроль паритета).Пользователь может конфигурировать порт на проверку четного или нечетного паритета или отсутствия контроля четности.

Принимающее устройство производит те же вычисления и сравнивает число единиц в полученном байте. При несовпадении генерируется ошибка четности. Однако, очевидно, что несовпадение четности произойдет только в случае искажения одного бита. При ошибке четности порт может генерировать аппаратное прерывание.

Один из способов повышения достоверности получаемых данных заключается в дополнении посылки контрольной суммой. Контрольная сумма – обычно один, два или четыре байта (в случае необходимости может быть и больше), полученные некоторым преобразованием данных посылки, подсчитываемые перед отправкой и включаемые в посылку. Принимающая программа производит аналогичную операцию над данными и сверяет вычисленную и полученную контрольные суммы. Если помеха изменила один или несколько байт посылки, вероятность совпадения контрольных сумм очень мала.

5.4.2. Интерфейсы
стандартов EIA RS‑422A/RS-485

Как было отмечено выше, что, несмотря на распространенность, протокол RS-232 имеет несколько существенных недостатков:

необходимость трехпроводной линии;

длина соединяющих проводов не может превышать 10–15 метров;

к одному порту компьютера может быть подключен только один абонент.

Избавиться от этих недостатков помогают интерфейсы стандартов EIA RS‑422A/RS-485, для реализации которых достаточно двухпроводной линии, длина кабеля может достигать 1 км (для низких скоростей передачи до 3 км), а количество подключаемых к одному порту устройств ограничено 32 абонентами.

Программируемые логические контроллеры многих производителей в качестве средств организации территориально-распределенных систем сбора данных и управления содержат ту или иную реализацию интерфейсов RS-422/RS-485.

Обычная система, основанная на стандарте RS-485, содержит несколько приемников, несколько формирователей и согласующих резисторов. Физически такая сеть представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары – двух скрученных проводов. Сигнал передается с помощью разности потенциалов между двумя проводами: по одному проводу идет оригинальный сигнал, а по второму – его инверсная копия (этот принцип называется дифференциальной (балансной) передачей данных). Другими словами, если на одном проводе 1, то на другом 0, и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при 1 она положительна, при 0 – отрицательна. Такой способ передачи обеспечивает высокую помехоустойчивость, т. к. помеха действует практически одинаково на оба провода, оставляя разницу потенциалов неизменной.

Аппаратная часть этой системы представляет собой микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART‑контроллера).

Интерфейс RS-485 представляет собой полудуплексный интерфейс. Прием и передача ведутся по одной паре проводов с разделением по времени. Во время приема отключается передатчик, а во время передачи – приемник. Для переключения приема и передачи используется один из управляющих сигналов порта. Этот сигнал подается на вход «разрешение приемника», а его инвертированное значение – на вход «разрешение передатчика».

Все устройства подключаются к витой паре одинаково: прямые выходы (называемые А) к одному проводу, а инверсные (называемые В) – к другому (рис. 5.14).

Как правило, система содержит несколько приемников, несколько формирователей и согласующие резисторы. Каждый формирователь должен обеспечивать работу на 32 единицы нагрузки помимо согласующих резисторов, каждая из которых представляется совокупностью приемника и формирователя, находящегося в пассивном состоянии. Согласующие резисторы должны подключаться к линии связи в двух наиболее удаленных друг от друга местах подключения единиц нагрузки. Сопротивление каждого согласующего резистора должно совпадать с волновым сопротивлением применяемого кабеля (от 100 до 120 Ом).

Рис. 5.14. Типовая схема промышленной сети,
построенной на базе интерфейса RS-485

Уровни напряжений на выходе передатчика соответствуют значениям от 2 до 6 В и от минус 6 до минус 2 В (дифференциальное значение). Отрицательное значение на линии А, относительно линии B, соответствует логической 1 (MARK или ВЫКЛЮЧЕНО), а положительное напряжение – логическому 0 (SPACE или ВКЛЮЧЕНО).

Схема подключения RS-422 аналогична схеме подключения RS-485, но для передачи и приема используются две отдельные пары проводников, при этом терминаторы включаются в каждой линии только со стороны приемника. В четырехпроводной схеме включения RS‑485 используется схема, аналогичная RS-422, но терминаторы подключаются как со стороны приемника, так и со стороны передатчика.

Формирователи и приемники, соответствующие требованиям стандарта EIA RS-485, сохраняют работоспособность при воздействии на них синфазного напряжения в диапазоне от минус 7 до плюс 7 В (мгновенное значение). Синфазное напряжение определяется совокупностью нескомпенсированных разностей потенциалов земли приемников и формирователей, максимальным значением напряжения помех, измеренного между землей приемника и жилами кабеля, соединенными с землей на передающей стороне линии связи, а также максимальным значением напряжения смещения выходов формирователей (Uos). Если значение разности потенциалов между землями выходит за пределы допустимого диапазона, то при реализации сети на основе интерфейса RS-485 следует применять приемопередатчики с гальванической изоляцией. Один из возможных способов объединения формирователей и приемников с гальванической изоляцией показан на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Способ объединения приемопередатчиков EIA RS-485
с гальванической изоляцией

Разработчик системы на базе данных приемников и формирователей должен учитывать возможность возникновения ситуации, когда все формирователи окажутся переведенными в пассивное состояние. В этом случае ни один приемник не будет распознавать какого-либо устойчивого логического состояния. Если переводу всех формирователей в пассивное состояние предшествовал сеанс информационного обмена, то логическое состояние на выходе всех приемников будет соответствовать последнему принятому биту информации. Для разрешения указанной проблемы должны быть предприняты специальные меры. Во-первых, это выставление преамбулы и постамбулы (высокий уровень выставляется передатчиком на время, зависящее от протокола связи) непосредственно перед и после информационного кадра соответственно. В частности, приемопередатчики промышленных устройств оснащаются цепями смещения выхода формирователя, показанными на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Цепи смещения линии связи

При этом после перевода всех формирователей, входящих в состав сети, в пассивное (высокоимпедансное) состояние в линии связи будет поддерживаться уровень, соответствующий состоянию OFF (ВЫКЛЮЧЕН). Для снижения потребления тока, протекающего по цепям смещения и согласующему резистору, последовательно с согласующим резистором может быть включен конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Для системы передачи данных необходимо учитывать тот факт, что на качество ее функционирования могут оказывать влияние такие эффекты, как помехи, наведенные на линию связи, разность потенциалов земли в местах размещения технических средств системы, активные и реактивные потери мощности, а также отражения, которые могут иметь место при высоких скоростях обмена. Степень влияния электромагнитных помех и разности потенциалов земли зависит от условий, в которых функционирует система, и ее эффективность определяется многими факторами, в том числе сбалансированностью или симметрией, описание влияния которой приведено далее. Активные и реактивные потери зависят от качества применяемого кабеля. Отражения являются результатом внесения каждым устройством реактивных составляющих в эквивалентную нагрузку, подключенную к выходу формирователя, находящегося в активном состоянии. При этом реактивные составляющие преимущественно имеют емкостный характер. Стандарт описывает устройства, способные функционировать в широком диапазоне скоростей обмена (до 10 Мбит/с). Разработчик системы должен учитывать, что даже при невысоких скоростях обмена, например 19,2 Кбит/с, длительности переднего и заднего фронтов информационного бита могут составлять не более 10 нс, а приемники могут иметь еще более высокое быстродействие. Таким образом, если не приняты специальные меры, то даже кратковременные помехи могут привести к нарушению целостности потока передаваемых данных, в том числе при низких скоростях обмена.

Для правильного функционирования цепей формирователя и приемника при обмене данными, единицы оборудования системы должны иметь путь возврата сигнала между цепями заземления на приемной и передающей сторонах. Цепь заземления может быть выполнена путем непосредственного присоединения общих проводников каждого устройства к точкам, имеющим нулевой потенциал. Указанный способ допустим только при гарантированном равенстве потенциалов земли в местах размещения единиц оборудования системы.

Кроме того, цепь заземления может быть реализована при помощи дренажного проводника, который имеется внутри кабеля передачи данных, как показано на рис. 5.17. При реализации цепи сигнального заземления вторым способом соединение третьего (дренажного) проводника с сигнальным общим проводом каждого устройства должно быть выполнено через резистор небольшого сопротивления, например 100 Ом, который предназначен для ограничения блуждающих токов, когда в целях безопасности применяются другие цепи заземления.

В ряде случаев для повышения устойчивости к помехам электрического (не магнитного) характера применяется экранированный кабель передачи данных. При его использовании экран должен быть соединен с корпусом оборудования только в одной из двух наиболее удаленных точек размещения технических средств системы. Реализация второго варианта допустима только при гарантированном равенстве потенциалов земли в местах размещения единиц оборудования системы. Требования к средствам присоединения экрана кабеля стандартом EIA RS-485 не устанавливаются.

Способ реализации цепей заземления при использовании приемопередатчиков с гальванической изоляцией показан
на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Реализация цепей сигнального заземления
при помощи дренажного проводника

Большинство приборов ОВЕН, предназначенных для работы в информационной сети, имеют встроенный интерфейс RS-485.

В обычном персональном компьютере (не промышленного исполнения) этот интерфейс отсутствует, поэтому для подключения к ПК промышленной сети RS-485 необходим специальный адаптер – преобразователь интерфейса RS-485/RS-232 или
RS-485/USB (например, ОВЕН АСЗ-М или АС4).