Интерфейсы группы rs

Начнем со стандартов низшего, т.е. физического уровня и рассмотрим группу RS. RS в сокращениях типа RS-232, RS-485, RS-422 означает Recommended Standard (рекомендованный стандарт). Ключевое слово здесь – "рекомендованный", означающее, что эти стандарты никогда никем не были приняты (в противоположность таким международным стандартам, как IEEE-1284 или IEEE-1394), они были просто "рекомендованы". Тем не менее, стандарты группы RS очень распространены, поддерживаются Ассоциацией электронной промышленности и Ассоциацией телекоммуникационной промышленности США (EIA/TIA) и, соответственно, большинством производителей компьютерного оборудования.

Существует ряд родственных стандартов: RS-232C, RS-423A, RS-422A и RS-485. На рис. 18 приведены схемы соединения приемни­ков и передатчиков, а также показаны ограничения на дли­ну линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V). На рисунке не показано наличие каналов встречного обмена для RS-232C, RS-423A, RS-422A.

Н аибольшее распространение получил простейший из перечисленных – стандарт RS-232C, реализуемый СОМ-портами. Интерфейсы RS-422 и RS-423 являются развитием RS-232 для высокоскоростной передачи данных (до 10 Мбит/с) на более далекие расстояния (до 1200 м): RS-423 для несимметричных цепей и RS-422 (позже RS-485) для симметричных цепей. Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS-423A несколько смягчает ситуацию. Лучшие параметры имеет двухточеч­ный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) аналог RS-485, работающие на симметричных линиях свя­зи. В них для передачи сигнала используются диф­ференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов.

Рассмотрим наиболее распространенные интерфейсы RS-232C и RS-485 подробнее.

Интерфейс rs-232c и com-порт

Интерфейс предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД – оконечное оборудование данных или АПД – аппаратура передачи дан­ных; DTE – Data Terminal Equipment), к оконечной аппарату­ре каналов данных (АКД; DCE – Data Communication Equipment).

Выбор в пользу применения интерфейса RS-232C может быть сделан при наличии следующих требований:

• относительная удаленность объекта обмена информацией (внешнего устройства) от компьютера (стандартом огово­рена длина кабеля до 15 м при наличии общего контура заземления, однако во многих практических случаях она может быть существенно увеличена, хотя и с некоторым снижением рабочих скоростей); сравнительно (по отношению к параллельным методам и локальным вычислительным сетям) невысокая скорость обмена данными (максимально возможная скорость пере­дачи данных стандартного последовательного порта ком­пьютера составляет 115200 бит/сек, что ограничивает ско­рость обмена величиной около 10 кбайт/сек);

• применение стандартного интерфейса для подключения к компьютеру без его вскрытия (применение RS-232C для подключения внешних устройств существенно упрощает процесс подключения и повышает оперативность в работе).

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пе­ресылку данных, электрический интерфейс и типы разъе­мов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхрон­ный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим.

С тандарт RS-232C использует несимметричные передатчи­ки и приемники – сигнал передается относительно общего провода – схемной земли SG (симметричные дифференциаль­ные сигналы используются в других интерфейсах – напри­мер, RS-422). Интерфейс НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ГАЛЬВАНИ­ЧЕСКОЙ РАЗ­ВЯЗ­КИ устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12...-3 В, хотя допустимый диапазон, на который рассчитан приемный каскад, –25...+25 В (рис. 19). Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON («включено»), для линий последовательных данных – MARK. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется OFF («выключено»), а для линий последователь­ных данных – SPACE. Диапазон -3...+3 В – зона нечувстви­тельности, обусловливающая гистерезис приемника: состоя­ние линии будет считаться измененным только после пересечения порога (рис. 20). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12 (до 15)...-5 В и +5...+12 (до 15) В для представления единицы и нуля соответствен­но. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное воспри­ятие сигналов. Интерфейс предполагает наличие ЗАЩИТНОГО ЗА­ЗЕМ­ЛЕ­НИЯ для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

П одключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отклю­ченном питании. Иначе разность невыровненных потенциа­лов устройств в момент коммутации может оказаться при­ложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

Для интерфейса RS-232C специально выпускаются буфер­ные микросхемы приемников (с гистерезисом и передатчи­ком двуполярного сигнала). При несоблюдении правил за­земления и коммутации они обычно являются первыми отказавшими элементами. Иногда их устанав­ливают в панельках, что облегчает замену. Часто буферные схемы входят прямо в состав ин­терфейсных БИС. Это удешевляет изделие, экономит место на плате, но в случае аварии оборачивается крупными фи­нан­совыми потерями. Вывести из строя интерфейсные мик­росхемы замыканием сигнальных цепей маловероятно: ток короткого замыкания передатчиков обычно не превосходит 20 мА.

Для связи управляющих систем на основе ЭВМ типа IBM PC последовательный интерфейс типа RS-232 используется довольно часто. Состав сигналов этого интерфейса:

RxD – канал передачи данных от объекта к системе управления;

TxD – канал передачи данных от системы управления к объекту;

SG – линия сигнального заземления;

FG – линия защитного заземления (экран);

RTS – сигнал готовности передатчика к обмену;

CTS – сигнал очистки (свидетельствует о готовности приемника к получению данных);

DTR – готовность выходных данных (используется в модемных линиях);

DSR – готовность данных со стороны передатчика;

DCD – сигнал, инициирующий выделение несущей частоты при использовании модема;

RI – сигнал телефонного вызова для модема.

Четыре последних сигнала используются в модемных линиях.

Для управления потоком данных (Flow Control) могут ис­пользоваться два варианта протокола – аппаратный и про­граммный. Иногда управление потоком путают с квитиро­ванием, но это разные методы достижения одной цели – согласования темпа передачи и приема. Квитирование (Handshaking) подразумевает посылку уведомления о полу­чении элемента, в то время как управление потоком предпо­лагает посылку уведомления о невозможности последующе­го приема данных.

Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS (Hardware Flow Control) использует сигнал CTS, который поз­воляет остановить передачу данных, если приемник не готов к их приему. Передатчик «выпускает» очередной байт только при включенной линии CTS. Байт, который уже начал передаваться, задержать сигналом CTS невозможно (это гарантирует целостность посылки). Аппаратный протокол обеспечивает самую быструю реакцию передатчика на состояние приемника. Микросхемы асинхронных приемопередат­чиков имеют не менее двух регистров в приемной части – сдвигающий, для приема очередной посылки, и хранящий, из которого считывается принятый байт. Это позволяет реали­зовать обмен по аппаратному протоколу без потери данных. Аппаратный протокол удобно использовать при подключе­нии принтеров и плоттеров, если они его поддерживают. При непосредственном (без модемов) соедине­нии двух компьютеров аппаратный протокол требует пере­крестного соединения линий RTS–CTS. Если аппаратный протокол не используется, у передающего терминала должно быть обеспечено состояние «включено» на линии CTS перемычкой RTS–CTS. В противном случае передатчик будет «молчать».

Программный протокол управления потоком XON/XOFF предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Работает протокол следующим образом: если устройство, принимающее данные, обнаруживает причины, по которым не может их дальше принимать, оно по обратному последо­вательному каналу посылает байт-символ XOFF (13h). Про­тивоположное устройство, приняв этот символ, приостанав­ливает передачу. Когда принимающее устройство снова становится готовым к приему данных, оно посылает символ XON (11h), приняв который, противоположное устройство возобновляет передачу. Время реакции передатчика на из­менение состояния приемника по сравнению с аппаратным протоколом увеличивается по крайней мере на время пере­дачи символа (XON или XOFF) плюс время реакции програм­мы передатчика на прием символа. Из этого сле­дует, что данные без потерь могут приниматься только приемником, имеющим дополнительный буфер принимае­мых данных и сигнализирующим о неготовности заблаго­временно (имея в буфере свободное место).

Преимущество программного протокола заключается в от­сутствии необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса – минимальный кабель для двустороннего об­мена может иметь только 3 провода. Недо­статком, кроме требования наличия буфера и большего вре­мени реакции (снижающего общую производительность канала из-за ожидания сигнала XON), является сложность реализации полнодуплексного режима обмена. В этом слу­чае из потока принимаемых данных должны выделяться (и обрабатываться) символы управления потоком, что ограни­чивает набор передаваемых символов. Минимальный вари­ант кабеля для подключения принтера (плоттера) с прото­колом XON/XOFF приведен на рис. 21. Обычно именно такое соединение и используется во многих системах управления.

Схема соответствует варианту идентичных устройств, объединенных интерфейсом. Если на приемной стороне (условно справа) используются устройства с неполным набором сигналов, его соединительный разъем распаивается в соответствии с его набором сигналов.

Каждый из каналов передачи информации совместно с сигнальным экраном образует витую пару и эти две витые пары помещаются в общий экран, предохраняющий от действия низкочастотных индуктивных помех. Рекомендуется сигнальные экраны заземлять на стороне приемника, а защитный – с двух сторон (см. рис. 21).

Рис. 21

Обмен по RS-232C осуществляется с помощью обращений по специально выделенным для этого портам СОМ1 (адреса 3F8h...3FFh, прерывание IRQ4), COM2 (адреса 2F8h...2FFh, прерывание IRQ3), СОМ3 (адреса 3E8h...3EFh, прерывание IRQ10), COM4 (адреса 2E8h...2EFh, прерывание IRQ 11). Фор­маты обращений по этим адресам можно найти в /1/, в описаниях микросхем контроллеров последова­тельного обмена UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), например, i8250, KP580BB51, и в Интернете.