2.2 Принцип работы основных частей, блоков и отдельных элементов автоматизированного устройства.

Интерфеìйс (англ. interface — поверхность раздела; граница раздела; поверхность контакта; стык, область контакта, взаимодействия; средство осуществления взаимного воздействия, взаимосвязи) — совокупность возможностей, способов и методов одновременного взаимодействиядвухсистем(любых, а не обязательно являющиеся вычислительными илиинформационными),устройствилипрограммдляобмена информацией между ними, определённая их характеристиками, характеристиками соединения, сигналов обмена и т. п. В случае, если одна из взаимодействующих систем — человек, чаще говорят лишь о второй системе, то есть об интерфейсе той системы, с которой человек взаимодействует в режиме одновременности. Примеры:

руль, педали газа и тормоза, ручка КПП — интерфейс (управления) автомобиля или же интерфейс системы «водитель — автомобиль»;

элементы электронного аппарата(телевизора, автомагнитолы, часов и т. п.) — дисплей, набор кнопок и переключателей для настройки, плюс правила управления ими — интерфейс системы «человек — аппарат»;

клавиатура,мышьи пр.устройства ввода— элементы сопряжения в системе пользовательского интерфейса (в свою чоередь, и сами клавиатура и мышь имеют свои интерфейсы сопряжения с компьютером, аппаратные и программные).

Наиболее часто этот термин применяется в информатике, где это — совокупность унифицированныхтехническихи программных средств и правил (описаний, соглашений, протоколов), обеспечивающих одновременное взаимодействие устройств и/или программ ввычислительной системеили сопряжение между системами.^[1]Существует аналогичный русскоязычный термин «стык», который используется достаточно редко.^[2] собенности интерфейса

Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных, определяемый стандартом EIA RS-232-C и рекомендациями V.24 CCITT. Изначально создавался для связи компьютера с терминалом. В настоящее время используется в самых различных применениях с использованием конвертеров 232.

Интерфейс RS232 соединяет два устройства (без использования конвертеров 232). Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс) Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих управляющих символов). Возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных линий для обеспечения функций определения статуса и управления. В случае, когда требуется объеденить более двух приборов, оснащенных этим интерфейсом, следует использовать специальные устройства - преобразователи интерфейса RS232 в другой интерфейс (например RS485), позволяющий подключать несколько устройств.

Основные параметры интерфейса

Стандарт	EIA RS-232-C, CCITT V.24
Скорость передачи	115 Кбит/с (максимум)
Расстояние передачи	15 м (максимум)
Характер сигнала	несимметричный по напряжению
Количество драйверов	1
Количество приемников	1
Схема соединения	полный дуплекс, от точки к точке

Как видно из таблицы интерфейс RS 232 имеет ограничение на длину - 15 метров. Если требуется соединить устройства, расположенные на большем удалении, то требуется использовать модемы или конвертеры RS 232 в RS 485.

Обзор стандарта RS-232

Данный обзор взят с сайта www.gaw.ru

RS232 - протокол, применяемый для связи компьютеров с модемами и другими периферийными устройствами. В данном обзоре представлен комплект полезной и справочной информации, представлена распиновка стандартных разъемов, а так же описано что такое квитирование (HANDSHAKING).

Определение RS 232

RS-232 - интерфейс передачи информации между двумя устройствами. Максимальная длянна этого последовательного интерфейса равна 15 м. Для обеспечения большей устойчивости к помехам информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5В. Данные передаются асинхронно с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

Назначение RS232

Интерфейс RS-232-C разработан для простого применения, однозначно определяемого его названием "Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду". Каждое слово в названии значимое, оно определяет интерфейс между терминалом (DTE) и модемом (DCE) по передаче последовательных данных.

Соединители

Устройства для связи по последовательному каналу соединяются кабелями с 9-ю или 25-ти контактными разъемами типа D. Обычно они обозначаются DB-9, DB-9, CANNON 9, CANNON 25 и т.д. Разъемы типов розетки и штырей. Каждый вывод обозначен и пронумерован. Расположение выводов представлено ниже.

Стандарт

Ассоциация электронной промышленности (EIA) развивает стандарты по передаче данных. Стандарты EIA имеют префикс "RS". "RS" означает рекомендуемый стандарт, но сейчас стандарты просто обозначаются как "EIA" стандарты. RS-232 был введен в 1962. Стандарт развивался и в 1969 представлена третья редакция (RS-232C). Четвертая редакция была в 1987 (RS-232D, известная также под EIA-232D). Этот стандатр идентичен МККТТ (CCITT) V.24/V.28, X.20bis/X.21bis и ISO IS2110.

Обозначения устройств

Уровни сигналов

В RS232 используются два уровня сигналов: логические 1 и 0. Логическую 1 иногда обозначают MARK, логический 0 - SPACE . Логической 1 соответствуют отрицательные уровни напряжения, а логическому 0 - положительные. Соответствующие значения напряжений представлены в таблице.

Уровни сигналов данных

Уровень	Передатчик	Приемник
Логический 0	От +5 В до +15 В	От +3 В до +25 В
Логический 1	от-5 В до -15 В	От -3 В до -25 В
Не определен	От -3 В до +3 В

Уровни управляющих сигналов

Сигнал	На выходе устр-ва (Driver)	На входе устр-ва (Terminator)
"Off"	От -5 В до -15 В	от -3 В до -25 В
"On"	От 5 В до 15 В	от 3 В до 25 В

Ослабление сигнала

Сигналы после прохождения по кабелю ослаюляются и искажаются. Ослабление растет с увеличением длины кабеля. Этот эффект сильно связан с электрической емкостью кабеля. По стандарту максимальная нагрузочная емкость составляет 2500 пФ. Типичная погонная емкость кабеля составляет 130 пФ, поэтому максимальная длина кабеля ограничена примерно 17 м.

Дополнительная информация в разделе Кабели и Длина проводов (конвертеры 232).

Проблемы с источником питания

Перед соединением двух компьютеров через RS-232, каждый из которых питается от различных источников рекомендуется выравнять напряжения между их сигнальными землями перед подключением.

Контакты разъемов интерфейса RS232

DB25 Розетка (мама)
Контакт	Обозн.	Направление	Описание
1	SHIELD	---	Shield Ground - защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
2	TXD	-->	Transmit Data - Выход передатчика
3	RXD	<--	Receive Data - Вход приемника
4	RTS	-->	Request to Send - выход запроса передачи данных
5	CTS	<--	Clear to Send - вход разрешения терминалу передавать данные
6	DSR	<--	Data Set Ready - вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных
7	GND	---	System Ground - сигнальная (схемная) земля
8	CD	<--	Carrier Detect - вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема
9-19	N/C	-	-
20	DTR	-->	Data Terminal Ready - выход сигнала готовности терминала к обмену данными
21	N/C	-	-
22	RI	<--	Ring Indicator - вход индикатора вызова (звонка)
23-25	N/C	-	-

DB9 Розетка (мама)
Контакт	Обозн.	Направление	Описание
1	CD	<--	Carrier Detect
2	RXD	<--	Receive Data
3	TXD	-->	Transmit Data
4	DTR	-->	Data Terminal Ready
5	GND	---	System Ground
6	DSR	<--	Data Set Ready
7	RTS	-->	Request to Send
8	CTS	<--	Clear to Send
9	RI	<--	Ring Indicator

RJ-45
Контакт	Обозн.	Направление	Описание
1	RI	<--	Ring Indicator
2	CD	<--	Carrier Detect
3	DTR	-->	Data Terminal Ready
4	GND	---	System Ground
5	RxD	<--	Receive Data
6	TxD	-->	Transmit Data
7	CTS	<--	Clear to Send
8	RTS	-->	Request to Send

Соединения коннектора RJ-45 не стандартизовано. Данный вариант один из возможных.

Кабели подключения. Конвертеры 232. Преобразователи 232

Нуль модемные кабели RS-232

3-проводный минимальный

Совместимость

Рассмотрим сначала DSR сигнал (конт.6). Этот вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных. В схеме соединений вход замкнут на выход DTR (конт.4). Это означает, что программа не видит сигнала готовности другого устройства, хотя он есть. Аналогично устанавливается сигнал на входе CD (конт.1). Тогда при проверке сигнала DSR для контроля возможности соединения будет установлен выходной сигнал DTR.

Это соответствует 99% коммуникационного программного обеспечения. Под этим подразумевается, что 99% программного обеспечения с этим нуль-модемным кабелем примут проверку сигнала DSR.

Аналогичный трюк применяется для входного сигнала CTS. В оригинале сигнал RTS (конт.7) установливается и затем проверяется CTS (конт.8). Соединение этих контактов приводит к невозможности зависания программ по причине неответа на запрос RTS.

7-проводный полный

Совместимость

Самый дорогой полный нуль-модемный кабель с семью проводами. Только сигналы индикатора вызова и определения несущей не подключены.

Этот кабель не разрешает использовать предыдущий метод контроля предачи данных. Основная несовместимость перекрестное соединение сигналов RTS и CTS. Первоначально эти сигналы использовались для контроля потоком данных по типу запрос/ответ. При использовании полного нуль-модемного кабеля более нет запросов. Эти сигналы применяются для сообщения другой стороне есть ли возможность соединения.

Особенность

Контакты 2 и 3 на 9-ти выводном разъеме D типа противоположны этим же контактам на 25-ти контатном раземе. Поэтому, если соединить контакты 2-2 и 3-3 между разъемами D25 и D9, получится коммуникационный кабель. Контакты сигнальной земли Signal Ground (SG) также должны быть подключены между собой. См. таблицу ниже.

5-проводный с управлением потоком

Описание

Можно найти или изготовить много типов кабелей для связи по интерфейсу RS-232. В этом нуль- модемном кабеле используется только 5 проводов: сигналы данных TXD, RXD, сигнал GND и управляющие сигналы RTS CTS для управления потоком.

Обозначение кабелей

Все DTE-DCE кабели прямого соединения, контакты соединяются один к одному. Кабели DTE-DTE и DCE-DCE кросс-кабели.

DTE - DCE называется 'прямой кабель'

DTE - DTE называегся 'нуль-модемный кабель'

DCE - DCE называется 'Tail Circuit Cable'

Описание полного нуль-модемного кабеля

Соединение D9- D9

DB9-1		DB9-2
Receive Data	2	3	Transmit Data
Transmit Data	3	2	Receive Data
Data Terminal Ready	4	6+1	Data Set Ready + Carrier Detect
System Ground	5	5	System Ground
Data Set Ready + Carrier Detect	6+1	4	Data Terminal Ready
Request to Send	7	8	Clear to Send
Clear to Send	8	7	Request to Send

Соединение D25-D25

DB25-1		DB25-2
Receive Data	3	2	Transmit Data
Transmit Data	2	3	Receive Data
Data Terminal Ready	20	6+8	Data Set Ready + Carrier Detect
System Ground	7	7	System Ground
Data Set Ready + Carrier Detect	6+8	20	Data Terminal Ready
Request to Send	4	5	Clear to Send
Clear to Send	5	4	Request to Send

Соединение D9-D25

DB9		DB25
Receive Data	2	2	Transmit Data
Transmit Data	3	3	Receive Data
Data Terminal Ready	4	6+8	Data Set Ready + Carrier Detect
System Ground	5	7	System Ground
Data Set Ready + Carrier Detect	6+1	20	Data Terminal Ready
Request to Send	7	5	Clear to Send
Clear to Send	8	4	Request to Send

Заглушка тестирования RS-232

Заглушка для эмуляции терминала

Данный соединитель RS-232 может быть использован для проверки последовательного порта кмпьютера. Сигналы данных и управления соединены. В этом случае передаваемые данные сразу возвращаются. Компьютер проверяет собственный поток. Это может быть использовано для проверки функционирования порта RS-232 со стандартным терминальным программным обеспечением.

DB 9 мама

DB 25 мама

Кабель контроля (мониторинга) RS-232

Полудуплексная работа

Контроль связи по RS-232 между двумя устройствами с помощью компьютера возможен при помощи кабеля, изображенного на рис. Два разъема подключаются к устройствам, а третий подключается к наблюдающему компьютеру. Этот кабель принимает информацию от двух источников только на один приемный порт RS-232. Поэтому, если оба устройства начнут одновременную работу, контролируемая информация на входе компьютера будет нарушена. В большинстве случаев связь осуществляется в полудуплексном режиме. Для этих режимов этот кабель будет работать без проблем.

Расстояния передачи. Конвертеры 232

Длина кабеля

Длина кабеля влияет на максимальную скорость передачи информации. Более длинный кабель имеет большую емкость и соответственно для обеспечения надежной передачи более низкую скорость. Большая емкость приводит к тому, что изменение напряжения одного сигнального провода может передаться на другой смежный сигнальныйпровод. Максимальным расстоянием обычно считается равным 15 м, но это не установлено в стандарте. Мы рекомендуем использовать на расстояниях до 50 м, ноэто зависит от типа используемого оборудования и характеристик кабеля.

Максимальная длина кабеля

Скорость [бод]	Макс. длина [футы]	Макс. длина [метры]
19 200	50	15
9 600	500	150
4 800	1000	300
2 400	3000	900

Скорость передачи данных

Скорость передачи информации по RS-232 измеряется в Бодах. Эта единица названа в честь Эмиля Бодо (Jean Maurice-Emile Baudot) (1845-1903), французского инженера по телеграфии, изобретателя первого печатающего устройства для телеграфа (телепринтера) , представленного на Международной Телеграфной конференции в 1927. Максимальная скорость согласно стандарту 20000 Бод. Однако современное оборудование может работать значительно быстрее. Не имеет значения на сколько быстрое (медленное) ваше соединение - максимальное число чтения за секунду можно установить с помощью используемого программного обеспечения.

Контроль четности

Четность в RS-232 (Parity)

При передаче по последовательному каналу контроль четности может быть использован для обнаружения ошибок при передаче данных. При использовании контроля четности посылаются сообщения подсчитывающие число единиц в группе бит данных. В зависимости от результата устанавливается бит четности. Приемное устройство также подсчитывает число единиц и затем сверяет бит четности.

Типы четности

Для обеспечения контроля четности компьютер и устройство должны одинаково производить подсчет бита четности. То есть, определиться устанавливать бит при четном (even) или нечетном (odd) числе единиц. При контроле на четность биты данных и бит четности всегда должны содержать четное число единиц. В противоположном случае соответствует для контроля на нечетность.

Mark и Space биты четности

Часто в драйверах доступны еще две опции на четность: Mark и Space. Эти опции не влияют на возможность контроля ошибок. Mark означает, что устройство всегда устанавливает бит четности в 1, а Space - всегда в 0.

Обнаружение ошибок

Проверка на четность - это простейший способ обнаружения ошибок. Он может определить возникновение ошибок в одном бите, но при наличии ошибок в двух битах уже не заметит ошибок. Также такой контроль не отвечает на вопрос какой бит ошибочный. Другой механизм проверки включает в себя Старт и Стоп биты, циклические проверки на избыточность, которые часто применяются в соединениях Modbus.

Пример

В этом примере показана структура передаваемых данных со синхронизирующим тактовым сигналом. В этом примере используется 8 бит данных, бит четности и стоп бит. Такая структура также обозначается 8Е1.

Примечание: Тактовый сигнал - для асинхронной передачи это внутренний сигнал

Старт бит

Сигнальная линия может находится 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 бюитами данных.

Стоп бит

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 четности. Стоп бит всегда включен. Если приемник определяет выключенное состояние, когда должен присутствовать стоп бит, фиксируется появление ошибки.

Установка Стоп бита

Стоп бит не просто один бит минимального интервала времени в конце каждой передачи данных. На компьютерах обычно он эквивалентен 1 или 2 битам, и это должно учитываться программе драйвера. Хоя, 1 стоп бит наиболее общий, выбор 2 бит в худшем случае немного замедлит передачу сообщения.

(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 редко.)

Управление потоком

Управление потоком представляет управлять передаваемыми данными. Иногда устройство не может обработать принимаемые данные от компьютера или другого устройства. Устройство использует управление потоком для прекращения передачи данных. Могут использоваться аппаратное или программное управление потоком.

Аппаратное управление потоком

Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS. Он использует дополнительно два провода в кабеле, а не передачу специальных символов по линиям данных. Поэтому аппаратное управление потоком не замедляет обмен в отличие от протокола Xon-Xoff. При необходимости послать данные компьютер устанавливает сигнал на линии RTS. Если приемник (модем) готов к приему данных, то он отвечает установкой сигнала на линии CTS, и компьютер начинает посылку данных. При неготовности устройства к приему сигнал CTS не устанавливается.

Программное управление потоком

Программный протокол управления потоком Xon/Xoff использует два символа: Xon и Xoff. Код ASCII символа Xon - 17, а ASCII код Xoff - 19. Модем имеет маленький буфер, поэтому при его заполнении модем посылает символ Xoff компьютеру для прекращения посылки данных. При появлении возможности приема данных посылается символ Xon и компьютер продолжит пересылку данных. Этот тип управления имеет преимущество в том, что не требует дополнительных линий, т.к. символы передаются по линиям TD/RD. Но на медленных соединениях это может привести к значительному замедлению соединения, т.к. каждый символ требует 10 битов.

 RS-485 используется для обмена данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи (витой паре) в полудуплексном режиме. Передача выполняется одновременно только в одну сторону. Прием при этом невозможен. Для приема данных требуется переключения приёмопередатчика в режим приема.       По электрическим характеристикам и принципам передачи данных RS-422 полностью совместим с RS-485, но является дуплексным. В нем одна витая пара постоянно используется для приема, а другая для передачи данных.  Уровни сигналов RS-422       Передача данных идёт по двум линиям, A и B, представляющим собой витую пару (два скрученных провода). Используется принцип дифференциальной передачи одного сигнала. По проводу A идет исходный сигнал, по проводу B противофазный. Когда на одном проводе логическая 1 , на другом логический 0 и наоборот. Этим достигается высокая устойчивость к синфазной помехе, действующей на оба провода одинаково. Электромагнитная помеха, проходя через участок линии связи, наводит в каждом проводе одинаковый потенциал, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.       Передатчик должен обеспечивать уровень сигнала 1,5 В при максимальной нагрузке (32 стандартных входа и 2 терминальных резистора) и не более 6 В без нагрузки. На стороне приемника минимальный уровень принимаемого сигнала должен быть не менее 200 мВ.  Аппаратная реализация       RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику. Реализован в микросхемах MAX488, MAX490. .   

Расстояние и скорость передачи данных 

Скорость	Расстояние
62,5 кбит/сек	1200 м
375 кбит/сек	300 м
2,4 мбит/сек	100 м
10 мбит/сек	10 м

Согласование       Электрический сигнал отражается от открытых концов линии передачи. Если расстояние достаточно большое, фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно каким-то образом подавлять эффект отражения.       На удаленном конце линии, между проводниками витой пары включають резистор с номиналом равным волновому сопротивлению линии. Электромагнитная волна дошедшая до "тупика" поглощается на резисторе. Отсюда его названия - согласующий резистор или "терминатор". Номинальное сопротивление согласующего резистора соответствует волновому сопротивлению кабеля и обычно составляет 120 Ом.         Резистор может быть запаян на контакты кабельных разъемов у конечных устройств. Иногда резисторы бывают смонтированы в самом устройстве и для подключения резистора нужно установить перемычку (как в нашей продукции VTR-232/485, VTR-E/485, USB-485M). 

Защитное смещение       При отсоединении приемника от линии, либо при отсутствии в линии активных передатчиков, уровень электрического сигнала на проводах A и B может быть произвольным. Чтобы избежать выдачи ошибочных сигналов на приемник UART, необходимо установить подтяжку входа А к питанию, а B - к "земле".         В выпускаемой нами продукции (VTR-232/485, VTR-E/485, USB-485M ...) установлены резисторы защитного смещения номиналом 680 Ом.  Исключение приема при передаче RS-485       При работе RS-485 на передачу, выход приемника RO переводится в третье состояние и ножка RX контроллера (приемник UART) "повисает в воздухе". В результате, во время передачи на приемнике UART любая помеха будет принята за входной сигнал. Для исключения этой ситуации необходимо выход приемника RO подтягивать к логической 1.         В выпускаемой нами продукции (VTR-232/485, VTR-E/485, USB-485M ...) установлен резистор подтяжки выхода приемника номиналом 10 кОм. 

Отключение передатчика при включении оборудования       При включении питания или перезагрузке оборудования по сигналу "Reset", контроллеру требуется несколько милисекунд на инициализацию. Получается ситуация, при которой питание на микросхему приемопередатчика RS-485/422 уже подано, но входы разрешения приемника /RE и передатчика DE "висят в воздухе". В результате, приемопередатчик может по помехе открыться на передачу и все время пока микроконтроллер иницализируется передавать в работающую линию мусор. Для исключения этого необходимо резистором подтянуть включение передатчика к “земле”. Таким образом, сразу при включении питания передатчик включен на прием и не сорит в линию.         В выпускаемой нами продукции (VTR-232/485, VTR-E/485, USB-485M ...) установлен резистор подтяжки включения передатчика номиналом 10 кОм. 

Гальваническая развязка       Устройства зачастую находятся на большом расстоянии друг от друга, поэтому обычно требуется гальваническая развязка, функции которой – разрыв общей "земляной" цепи, защита всей системы от высоковольтных переходных процессов, уменьшение помех и искажений сигналов, а также увеличение степени электробезопасности.    Технические характеристики стандартов RS-485 и RS-422. 

Параметр	RS-422	RS-485
Допустимое число Tx и Rx	1 Tx, 10 Rx	32 Tx, 32 Rx
Максимальная длина кабеля	1200 м	1200 м
Максимальная скорость передачи данных	10 мбит/с	10 мбит/с<
Диапазон напряжений "1" передатчика	+2...+10 В	+1.5...+6 В
Диапазон напряжений "0" передатчика	-2...-10 В	-1.5...-6 В
Максимальный ток короткого замыкания передатчика	150 мА	250 мА
Допустимое сопротивление нагрузки передатчика	100 Ом	54 Ом
Чувствительность по входу Rx	± 200 мВ	± 200 мВ
Входное сопротивление приемника	4 кОм	12 кОм
Диапазон напряжений входного сигнала Rx	± 7 В	-7...+12 В
Уровень логической единицы Rx	> 200 мВ	> 200 мВ
Уровень логического нуля Rx	< 200 мВ	< 200 мВ