1   2   3
Ім'я файлу: 1К17, КІК.doc
Розширення: doc
Розмір: 1491кб.
Дата: 25.03.2020

7. Стандартні послідовні інтерфейси

План.

    1. 1. Синхронна та асинхронна передача

    2. 2. Стандартні послідовні інтерфейси

    3. 3. Інтерфейс RS-232

4. Інтерфейс RS-422

5. Інтерфейс RS-485

    1. 6. Порівняльна характеристика стандартних послідовних інтерфейсів

    2. 7. Використання адаптерів-перетворюваів інтерфейсів




    1. 1. Синхронна та асинхронна передача

При обміні бітами між вузлами на фізичному рівні необхідно щоб передавач і приймач використовували одне і те саме джерело часу, тобто щоб вони були синхронізовані на фізичному рівні. У протилежному випадку, приймач не зможе визначити, коли надходить перший біт, тобто розпізнати початок посилки. Однак навіть при початковій синхронізації джерела тактів передавача і приймача, а також домовленості про час початку відправки, при передачі великих послідовностей бітів, може виникнути розсинхронізація.

При синхронній передачі приймач і передавач постійно синхронізуються під час передачі. Синхронізація проходить через певні проміжки часу або бітів за допомогою синхронізуючої посилки, яка представляє собою імпульсний сигнал (набір імпульсів) певної частоти. Синхронізуючий сигнал як правило передається разом з цифровими даними (наприклад RZ-кодування, манчестерське кодування), або перед ними (наприклад у вигляді преамбули).

При асинхронній передачі, обмін даними може проходити і без визначеного джерела часу. Передача починається в будь який момент часу з сигналу початку передачі – стартового біта. В цей час приймач синхронізується з передавачем. Обмін проходить короткими наборами бітів (символами), що дозволяє не робити додаткову синхронізацію під час передачі. При асинхронній передачі приймач повинен наперед знати всі параметри зв’язку, в першу чергу – швидкість, щоб правильно ідентифікувати сигнали які поступають.

Асинхронну передачу називають такоє символьною. При такому способі, дані які передаються діляться на символи по декілька біт (як правило по 8 або 7) і обрамляються службовими бітами. На рис. 8 графічно представлено передачу двох байт D816(110110002) та C416(110001002) при наступних настройках: біт парності – «непарний», 1 стоповий біт, бітова швидкість 9600 біт/с. При відсутності передачі на лінії утримується логічна "1". При передачі символу передавач скидає сигнал на "0" і тримає його протягом 1-го біту, який називають стартовим бітом. За цей час приймач

синхронізується з передавачем і готовиться до прийому бітів даних, які передаються відразу після стартового біту. Потім передається біт парності (біт паритету – parity bit), якщо він використовується при обміні. Даний біт призначений для контролю за правильністю передачі даних і вибирається з ряду: парний (even), непарний (odd), відсутній (none). При виборі останнього на фізичному рівні не проводиться контроль помилок. Якщо використовується парний (even) біт паритету, то при передачі підраховується кількість одиничних бітів даних, і якщо їхня кількість непарна, то добавляється біт паритету рівним логічній "1", в протилежному випадку добавляється логічний "0". При непарному (odd) паритеті – навпаки, передавач буде добавляти до бітів даних логічну "1" або "0" так, щоб сума одиничних бітів в бітах даних разом паритетним була непарною. Приймач перевіряє суму прийнятих одиничних бітів даних та паритету і якщо не вона не співпадає з типом наперед визначеного біта паритету, сигналізує про це верхнім рівням, які вирішують можливість повторного запиту.




Рис. 7.1. Передача двох символів: 1-й – 11011000; 2-й – 00100011. Біт паритету

– непарний; 1 стоповий біт

За бітом паритету, йдуть стопові біти, призначення яких витримати мінімальну паузу між символами. Кількість стопових бітів як правило вибирається 1, 1.5 або 2. За стоповими бітами може відразу йти наступний символ, тобто стартовий біт наступного символу.

Символьну передачу реалізовують спеціальною мікросхемою – універсального асинхронного приймача-передавача УАПП (UART – Universal Asynchronous Receiver Transmitter), яка застосовується в багатьох пристроях. UART являється частиною інтерфейсу між шиною мікропроцесора і трансивером каналу зв’язку. Тобто вихід UART безпосередньо не підключається до каналу зв’язку, а видає біти на рівні ТТЛ на вхід трансивера.


    1. 2. Стандартні послідовні інтерфейси

Багато промислових мереж в якості фізичного рівня використовують вже реалізовані стандартні промислові інтерфейси. Це з одного боку спрощує реалізацію мережі, так як не приходиться виробляти додаткове обладнання,

так і спрощує апаратну сумісність між пристроями. Так, наприклад, присутній на комп’ютері інтерфейс RS-232 (СОМ-порт) робить його апаратно сумісним з будь-якою мережою, що використовує цей інтерфейс. Однак навіть його відсутність дає можливість використовувати один і той самий адаптер-перетворювач USB-RS232 для підключення мереж з зовсім різним набором протоколів 2-7 рівнів моделі OSI, однак якы базуються на цьому інтерфейсі. Те саме стосується і інших стандартних інтерфейсів – RS- 422, RS-485, які розглянуті в наступних пунктах.

    1. 3. Інтерфейс RS-232

Інтерфейс RS-232C перш за все був призначений для підключення ПК або іншого пристрою, який передає або приймає дані (DTE — Data Terminal Equipment) до модему (DCE — Data Communication Equipment). Кінцева мета

  • це з’єднання двох DTE (рис.7.2.а). Найпростіший приклад такої системи, коли в ролі DTE виступає комп’ютер, в якому RS-232 реалізований в якості COM-портів (рис.7.3), а в ролі DCE – модем (рис.7.2.б).





DTE
а RS-232








ПК1

COM







Модем1

телефонна

Модем2

лінія



б RS-232

RS-232


DTE



DCE


телефонна



DCE

лінія







COM


ПК2






RS-232




в


Рис.7.2. З’єднання за допомогою RS-232: а схема з’єднання DTE з використанням DCE; б – приклад з’єднання двох ПК (як DTE) через модем (як DCE); в схема з’єднання двох DTE без DCE (нуль-модемний зв’язок)
На практиці великої популярності набув спосіб з’єднання з використанням RS-232 двох DTE без модема, який отримав назву нуль- модемного з’єднання (Zero-modem або Z-modem). Стандарт RS-232C описує управляючі сигнали інтерфейсу, обмін даними, електричний інтерфейс і типи роз’ємів.



Рис. 7.3. Реалізація RS-232 у вигляді СОМ-порта.

Стандарт RS-232C описує несиметричні (незбалансовані) передавачі та приймачі, тобто сигнал передається відносно загального проводу – схемної землі за допомогою напруги. Для передачі використовується сигнальна лінія TD – Transmit Data (інколи позначається TxD), а для прийому – RD – Receive Data (інколи позначається RxD), загальний провід SG (Signal Ground), див. рис. 7.4. Логічній "1" на вході відповідає діапазон напруги від –12В до –3В; логічному "0" – від +3В до +12В. Діапазон від –3В до +3В – зона нечутливості, яка обумовлює гістерезис приймача: логічний стан лінії поміняється тільки після переходу через поріг. Рівні сигналів "1" і "0" на виходах передавачів повинні лежати в межах відповідно від -5В до -12В і від

+5В до +12В. Інтерфейс не забезпечує гальванічної розв’язки пристроїв. Різниця потенціалів між схемними землями SG пристроїв, що з’єднуються, не повинна бути більше 2В. Підключення і відключення інтерфейсних кабелів пристроїв з автономним живленням повинно проводитись при відключеному живленні. Інакше в момент підключення пристроїв можуть вийти з ладу мікросхеми в результаті дії на них різниці потенціалів.Стандартні трансивери RS-232 повинні забезпечити передачу та прийом бітів з швидкістю до 115200 біт/с на відстані до 20 м.


Рис. 7.4. Схематичне зображення нуль-модемного зєднання.

На обладнанні DTE прийнято встановлювати вилки типу DB-9P (9 штиркові) або DB-25P (25 штиркові). Останні як правило використовуються для синхронних режимів, оскільки мають

54

Рис. 7.5. Підключення DTE (зліва) до DCE (справа)

допоміжні штирки. На пристроях DCE використовуються розетки DB-9S та DB-25S. Це значить, що при такому з’єднанні пристрої DTE (наприклад ПК) та DCE (наприклад модем) можна підключати безпосередньо один до одного, або через "прямий" кабель з вилкою з одного боку та розеткою з іншого (рис.7.5).

У системах автоматизації частіше використовується нуль-модемне з’єднання, для якого використовується нуль-модемні кабелі. Якщо при з’єднанні використовуються тільки інформаційні сигнальні лінії (TxD, RxD, SG), то з’єднання проводиться мінімальним нуль-модемним кабелем (рис.7.6.а), в протилежному випадку – повним (рис.7.6.б).




Рис.7.6. Нуль-модемне підключення, за допомогою нуль-модемного кабелю: а – повного, б – мінімального

На практиці інтерфейс RS-232 використовується як правило в асинхронному режимі, тому розглянемо сигнальні лінії, призначені тільки для цього режиму. Для кращого розуміння, при розгляді ліній інтерфейсу, DCE будемо називати модемом, а DTE – комп’ютером.

У табл. 7.1 наведені сигнальні лінії RS-232C та їх призначення. В другій та третій колонці вказані відповідні контакти роз’ємів, а в четвертій колонці також вказана додаткова інформація, яка вказує напрямок передачі даних по лінії: IN – в комп’ютер, OUT – з комп’ютера.

Таблиця 7.1

Сигнальні лінії інтерфейсу RS-232C

Сигнал

DB- 25S

DB- 9S

Призначення

PG

1

-

Захисна земля (Protected Ground). З’єднується з

корпусом пристрою і екраном кабелю.

SG

7

5

Сигнальна земля (Signal Ground), відносно неї

діють лінії сигналів.

TD(TxD

)

2

3

OUT Вихід передавача (Transmit Data).

RD(RxD

)

3

2

IN Вхід приймача (Receive Data).


RTS


4


7

OUT Запит дозволу на передачу (Request To Send).

"Вкл" означає наявність даних у комп’ютера для передачі. При напівдуплексі – перемикання










модему в режим передачі.


CTS


5


8

IN Готовність передачі (Clear To Send). "Відкл" - модем забороняє комп’ютеру передавати йому

дані.

DTR

20

4

OUT Готовність DTE (Data Set Ready). "Вкл" -

комп’ютер готовий до роботи з модемом.

DSR

6

6

IN Готовність DCE (Data Terminal Ready). "Вкл" -

модем готовий до роботи з комп’ютером.


DCD


8


1

IN Виявлення несучої (Data Carried Detected). "Відкл" модем сигналізує про сигнал поганої

якості


RI


22


9

IN Сигнал виклику (Ring Indicator). "Вкл" – модем

отримав сигнал виклику (дзвінок на телефонній лінії)


Апаратно один передавач даного інтерфейсу може забезпечити необхідним рівнем сигналу тільки одного приймача. Таким чином інтерфейс RS-232 дозволяє об’єднати між собою тільки два пристрої з одним передавачем і одним приймачем на максимальній відстані 20 м. Інтерфейс RS-232 має ряд недоліків, які обмежують область його використання в промислових умовах. Насамперед це пов’язано з чутливістю його до електромагнітних завад, малою довжиною кабелю з’єднання і малою бітовою швидкістю.


    1. 4. Інтерфейс RS-422

Стандарт RS-422A описує (рекомендує) тільки електричні характеристики інтерфейсу, тобто вимоги до передавачів (драйверів - drivers) та приймачів і не визначає параметри сигналів, типи роз’ємів, тип та довжину кабелів та ін. Інтерфейс базується на збалансованих (симетричних) лініях передавачів та приймачів, тобто напруга передається по трьом проводам - два сигнальних та сигнальна земля.

На рис.7.7 показаний принцип функціонування збалансованого передавача (а) та приймача (б) лінії. Збалансований передавач лінії при передачі на TD логічної „1”, формує напругу між сигнальним проводом „A” і землею „C” UA) та між проводами „B” і „C” UВ(на рис.7.7 показаний знак інверсії). При передачі логічного „0” передавач інвертує знак сигналу. Приймач вимірює напругу між „А” і „В” і якщо різниця буде більше ніж +200 мВ то приймач буде розпізнавати його як певний логічний стан лінії. Якщо різниця змінить свій знак і стане менше ніж -200 мВ, приймач змінить логічний стан на протилежний.





Рис. 7.7. Функціональна схема передавача (а) та приймача (б) в інтерфейсі RS-422A.

Якщо на проводі „А” передавача в інтерфейсі RS-422А по відношенню до проводу „В” від’ємна напруга, лінія перебуває в стані логічної „1”, якщо додатна – логічного „0”. Позначення проводу „А” може бути еквівалентне

„─„, а позначення „В” - „+”, а інколи приймають навпаки. Тому при підключенні треба звертати увагу на прийняту в пристрої полярність. Диференційний спосіб передачі зменшує вплив синфазної завади на лінію передачі, оскільки вимірюється не сигнал між сигнальним проводом і землею, а різниця потенціалів між двома сигнальними лініями. Навіть якщо на обох проводах будуть наведені паразитні струми, диференційна напруга практично не зміниться.

Стандарт також описує електричні вимоги до передавачів та приймачів. Зокрема, один передавач повинен бути розрахований на 10 приймачів. Інтерфейс працює в дуплексному режимі. Тому можливі два варіанти з’єднання: передавачі та приймачі двох вузлів з’єднуються перехресно (точка

–точка); передавач одного вузла обслуговує до 10 приймачів інших вузлів.

На основі даного стандарту з’явилися деякі рекомендації по його використанню. Це схеми підключення, способи заземлення, максимальні відстані, використання резисторів-термінаторів, максимальні бітові швидкості і т.д. Так установлено, що максимальна бітова швидкість – становить біля 10 Мбіт/с, максимальна відстань (при невеликих швидкостях)

  • біля 1200 м. Ці величини залежать від багатьох параметрів: типу кабелю, рівня завад, типу роз’ємів і т.д. В якості середовища передачі на великі відстані рекомендують використовувати виту пару, бажано екрановану. На

рис.7.8 показаний один із способів реалізації дуплексного з’єднання двох пристроїв по RS-422А.

Інтерфейс RS-422А має один значний недолік – на ньому не можна побудувати мережі з шинною топологією, тому він не знайшов такого широкого застосування як RS-485. Це пов’язано з тим, що передача інформації забезпечується логічними "0" та "1" які мають відповідний рівень фізичного сигналу по напрузі. Наприклад в символьному режимі, при відсутності передачі на лінії приймача повинна бути присутня логічна "1", яку передає трансмітер. Тобто в кожен момент часу трансмітер буде прикладати напругу певного рівня. Якщо декілька передавачів буде підключено до однієї лінії зв’язку – це може привести до виходу з ладу трансиверів, оскільки кожен з передавачів буде генерувати свої сигнали. Цей недолік відсутній у інтерфейса RS-485.



– сигнальна земля, загальний провід

– захисне заземлення корпусу

GWG – ланцюг заземлення блока живлення
Рис. 7.8. Функціональна схема 5 – провідного дуплексного з’єднання двох вузлів по RS-422A


    1. 5. Інтерфейс RS-485

Стандарт RS-485 (офіційна назва EIA/TIA-485) електрично сумісний з RS-422A: використовується збалансована система зв’язку з тими ж рівнями сигналу, за винятком синфазної напруги, яку витримує інтерфейс – від +12В до -7В.

На відміну від RS-422А, інтерфейс RS-485 розрахований на багатоточкове з’єднання, тобто на побудову шинних топологій. Перш за все, на трансиверах крім інформаційних сигналів RD та TD є додатковий сигнал управління передачі/прийому (рис.7.9). При закінченні передачі пристрій може відключити свій передавач (перевести його в високоімпедансний стан),

і надати можливість іншим трансмітерам підключатися для передачі. Іншими словами сигнал дозволу передачі переводить траснмітер з активного стану в пасивний, тобто передавач може генерувати логічну „1”, логічний „0” або знаходитись в пасивному стані. В який час і в якому порядку передавачі вузлів будуть доступатися до шини стандарт не оговорює, дане питання повинне вирішуватись на канальному рівні (організація доступу до шини).

Один трансмітер розрахований на 32 одиниці навантаження, які в свою чергу, визначаються як вхідний імпеданс (опір) одного стандартного приймача (12 кОм) та 2 резистори по 120 Ом (термінатори ліній), які підключені паралельно.



Рис. 7.9. Функціональна схема трьохпровідного пів-дуплексного з’єднання вузлів по RS-485

  1   2   3

скачати

© Усі права захищені
написати до нас