ЛЕК+ЛАБА(СУМ) / Лаб / 15ЭУСА-л5

5. ИНТЕРФЕЙСЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО ПРИБОРА

При проектировании различных приборов микропроцессорных (ПМ), начиная от датчиков, решение задачи их взаимодействия с внешними устройствами, в том числе и с компьютером, регламентируется спецификациями различных внешних интерфейсов, отличающихся от приборного интерфейса I2C, рассмотренного ранее.

Ниже рассмотрим организацию трех наиболее распространенных в ПМ интерфейсов:

RS232 и RS485.

5.1. Интерфейс RS232

Интерфейс RS232 (или EIA232 – Electronic Industries Association) предназначен для подключения ПМ радиальной линией связи к некоторому внешнему устройству ВУ.

ПМ	ВУ (РС)
RS232	ВУ(PC)
RS232 (EIA232)

Интерфейс RS232 специфицирован в части:

типов применяемых разъемных соединителей (разъемов),

состава и назначения шин интерфейсных сигналов, а также «распайки» шин различного назначения «по ножкам» разъемных соединителей,

уровней электрических сигналов,

способа последовательной передачи сигнала и структуры байта сигнала.

1) Разъемные соединители представлены двумя типами (рис.5.1): DB9 (9 контактов) и DB25 (25 контактов). Причем исполнение каждого разъемного соединителя может быть в виде розетки (DB9М, DB25М) или в виде вилки (DB9F, DB25F). Наряду с указанными разъемами имеются и различные конструктивные реализации изделий типа «переходник с разъема DB9 на DB25». На рис.5.1 такой «переходник» выполнен на основе соединительного кабеля определенной длины.

Разъем DB9	Разъемы DB25

Рис. 5.1. Разъемные соединения RS232

Наличие разъема DB25 определяется тем, что интерфейс RS232 разрабатывался в те годы, когда микропроцессоры еще не получили распространения, а для организации эффективного взаимодействия устройств связи требовалось большое количество сигналов. С развитием микропроцессорной техники потребность в количестве интерфейсных сигналов сокращалась. Поэтому при создании ПМ в настоящее время исключительно используется разъем типа DB9.

2) Назначение RS-232 первоначально определялось только его названием "Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последова-

2

тельному двоичному коду". В качестве терминального устройства принимается ПМ или РС. В качестве связного оборудования определяется «модем» (см. рис.5.2а) и то оборудование, которое поддерживает передачу сигнала в канале связи.

Взаимодействие терминального и связного оборудования при передаче данных по каналу связи из ПМ в РС или наоборот, показано на рис.5.2а, где интерфейс RS-232 показан двойной стрелкой:

Терминальное					Связное оборудование				Терминальное
оборудование									оборудование
	ПМ					Канал				РС
				Модем			Модем
						связи
						а)
	ПМ									РС
						б)

Рис.5.2. Связь по RS232 устройств различного назначения

Напомним, что под модемом понимается такое устройство связи, которое выполняет фун-кции МОдуляции–ДЕМодуляции сигнала передачи данных с целью согласования его частот-ной характеристики с частотой пропускания канала связи: проводного выделенного, про-водного телефонного, беспроводного − радио или сотового.

В простейшем случае, когда в модемах нет необходимости, терминальные устройства могут взаимодействовать непосредственно друг с другом (см. рис.5.2б).

Состав, назначение интерфейсных сигналов, а также порядок «распайки» ножек на разъемах типа DB9 и DB25 представлен в табл. 5.1.

Таблица 5.1.

Обозн.	Сигнал	Напра-	Назначение	Разъем	Разъем
EIA	RS	вление		DB9	DB25
AA	GND	─	Защитное заземление (корпус прибора)	-—	1
AB	SG	─	Сигнальное заземление,	5	7
BA	TxD	OUT	Передаваемые данные в линию связи	3	2
BB	RxD	IN	Принимаемые данные из линии связи	2	3
CA	RTS	OUT	Сигнал запроса передатчика (на отправку)	7	4
			Активен во время передачи.
CB	CTS	IN	Сигнал готовности приемника в ответ на RTS .	8	5
			Активен во все время передачи.
CC	DSR	IN	Готовность данных. Используется для задания режима	6	6
			готовности модема к работе
CF	DCD	IN	Обнаружение несущей	1	8
			(детектирование принимаемого сигнала)
CD	DTR	OUT	Готовность к передаче сигнала (готовность данных)	4	20
CE	RI	IN	Индикатор вызова. Модем информирует о приеме сигнала	9	22
			вызова по телефонной сети

Схема электрическая соединения терминального устройства ПМ и РС по интерфейсу RS232 представлена на рис.5.3 Обращаем внимание на перекрестное соединение линий передачи сигналов данных: линия передачи сигнала TxD первого устройства (ПМ) соединяется с линией приема сигнала RxD второго (РС) и наоборот. Остальные соединительные связи интерфейса назовем управляющими, так как они предназначены для управления взаимодействием двух устройств. Направление управляющих сигналов показано стрелками.

3

	ПМ		КАНАЛ		РС

Рис. 5.3. Соединение устройств по интерфейсу RS232

Управление взаимодействием двух устройств может выполняться аппаратными и программными средствами.

При аппаратном управлении в интерфейсе используется максимальное количество сигналов по рис.5.3 в соответствии с их назначением: информирование о готовности данных для передачи, о готовности приема данных, синхронизация передачи файлов данных.

При программном управлении количество используемых шин интерфейса сокращается (см. рис. 5.4а): c выхода (OUT) RTS сигнал автоматически подается на вход (IN) CTS; с выхода (OUT) DTR сигнал автоматически поступает на входы (IN) DCD и DSR. Таким образом, количество линий связи в интерфейсе сокращается до 4-х.

а)

б)

Рис.5.4. Нуль-модемное соединение кабеля связи по RS232

Программное управление интерфейсом позволяет исключить необходимость задания состояния сигналов на шинах RTS и CTS, DTR и DCD, DSR. В этом случае два устройства будут соединяться кабелем, включающим в себя только три шины: TxD, RxD, SG (рис.5.4б). Такой кабель и такое соединение называются «нуль-модемными». При использовании нульмодемного кабеля все вопросы согласования взаимодействия двух устройств должны решаться в драйвере передачи сигналов.

3) Уровни электрических сигналов логического «0» и логической «1» представлены на рис. 5.5:

логической «1» соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне от минус 12В до минус 5В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется «ON» (включено);

логическому «0» соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне от плюс 5В до плюс12 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется «OFF» (вsылючено);

4

Рис. 5.5. Уровни электрических сигналов RS232

диапазон +3В - зона нечувствительности (зона неопределенности), определяющая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога;

уровни сигналов передатчика должны быть в диапазоне от минус 5В до минус 12В при формировании логической «1» и от плюс 5В до плюс 12В – при формировании логического «0». Разность потенциалов между схемными землями SG соединяемых устройств должна быть не более 2В. Если это условие не выполняется, то возможно ошибочное восприятие сигналов.

Интерфейс RS232 часто выполняется без гальванической развязки от линий связи. По этой причине отключение и подключение интерфейсных кабелей должно производиться только при отключенном напряжении питания ПМ. Иначе разность потенциалов устройств ПМ и СУ в момент коммутации может оказаться приложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя элементы, обеспечивающие сопряжение с линией связи.

4) Структура байта сигнала представлена на рис. 5.6.

Передача начинается старт-битом, который сигнализирует приемнику о начале посылки. Затем следуют биты данных, бит паритета (Р–четности/нечетности), а завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками.

Формат посылки позволяет выявлять возможные ошибки передачи:

если принят перепад, сигнализирующий о начале посылки, а по внутреннему стробу значение старт-бита зафиксировано равным логической «1», то старт-бит считается ложным и приемник переходит в состояние ожидания;

Рис. 5.6. Структура байта при последовательной передаче сигнала

если во время, отведенное под стоп-бит, обнаружен уровень логического «0», фиксируется ошибка стоп-бита;

если применяется контроль четности, то после посылки бит данных передается контрольный бит Р, который дополняет количество единичных бит данных до четного или нечетного в зависимости от принятого соглашения. Прием байта с неверным значением контрольного бита приводит к фиксации ошибки;

5формат посылки позволяет обнаруживать обрыв линии связи. В момент обрыва при-

нимается логический «0», который трактуется как старт-бит, далее вполне возможны нулевые значения бит данных, а затем – значение стоп-бита при контроле должно быть рав-

ным «1».

5) Способ последовательной передачи сигнала, который используется в интерфейсе

RS232, определен как асинхронный, т.е. такой, в котором передача выполняется по мере необходимости в любой момент времени и никакими внешними устройствами не синхронизируется. Так старт-бит байта следующего за принятым байтом, посылается в любой момент времени после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности.

Старт-бит имеет всегда строго определенное значение (логический «0»), что обеспечивает простой механизм самосинхронизации приемника по сигналу от передатчика. Исходным требованием при этом является обеспечение единой скорости приема и пере-

дачи.

Работа асинхронного режима основывается на том, что и в передатчике, и в приемнике вырабатываются внутренние стробы, ориентированные на определенную и одинаковую скорость передачи сигнала. В передатчике – для того, чтобы строго выдерживать временные соотношения при передаче бита сигнала, а в приемнике – чтобы осуществлять корректный прием. Механизм формирования внутренних стробов состоит в том, что и в приемнике и передатчике есть внутренний генератор кварцевого типа, обеспечивающий строгое и стабильное поддержание заданной опорной частоты. Далее с использованием счетчика-дели- теля опорной частоты, который обнуляется в момент приема старт-бита, формируются внутренние стробы с той частотой, на которой должна осуществляться передача сигнала. В идеале стробы должны располагаться в середине битовых интервалов. Это позволяет принимать данные с незначительной рассогласованностью скоростей приемника и передатчика. Так, при передаче 8 бит данных, одного контрольного бита и одного стоп-бита предельно допустимое рассогласование скоростей, при котором данные будут приняты верно, не может превышать 5%.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 бит/с.

Количество бит данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5-ти и 6-ти битные форматы распространены незначительно).

Количество стоп-бит может быть 1,1.5 или 2 ("полтора бита" означает только длительность стопового интервала).

Настройка интерфейса RS232 на передачу сигнала описывается формулой типа: 8Р2-1200, в которой первая цифра определяет количество бит данных (5,6,7 или 8), буква определяет использование бита паритета (Р-используется, N- не используется), вторая цифра определяет длительность стоп-бита (1, 1.5 или 2), а последняя – скорость передачи сигнала, бит/с.

Область применения RS232 в значительной мере определяется допустимой длиной линии связи ПМ и ВУ. Официальное ограничение длины линии связи составляет 15м при скорости передачи сигнала до 20 кбит/с.

4.2. Интерфейс RS-485

RS-485 — это номер рекомендуемого стандарта, впервые принятого Ассоциацией электронной промышленности (EIA). Cейчас этот стандарт назывется TIA/EIA-485 Elect-rical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems

(Электрические характеристики передатчиков и приемников, используемых в балансных цифровых многоточечных системах).

6

5.2.1. Структура интерфейса RS-485

Принципиальное отличие RS485 от RS232 состоит в том, что RS485 обеспечивает взаимодействие между множествами узлами (устройствами, ПМ) 1,…., n по двухпроводной линии связи (шине) в полудуплексном режиме.

ПМ1	RS485
ПМ2	ВУ (РС)
ПМ3
ПМ…

ПМn

Стандартом RS-485 определены только электрические и временные характеристики интерфейса.

1.Стандартом RS-485 не определяются:

параметры качества сигнала (допустимый уровень искажений и отражения в длинных линиях);

типы соединителей и кабелей (но выпускаются специальные кабели для RS-485);

требования гальванической развязки линии связи,

протокол обмена.

1) В RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом. Схема подключения устройств к интерфейсу RS-485 представлена на рис. 5.7.

Рис.5.7. Схема подключения устройств к интерфейсу RS-485

На этом рисунке показано, что линия связи в RS-485 – это два провода А и В, а передатчик и приемник сигналов подключены к проводам А и В линии связи параллельно; общий провод «Общ» используют для выравнивания потенциалов в местах размещения узлов интерфейса, но он может и не использоваться.

Терминаторные резисторы Rт (где-то их называют терминальными, т.е. – конечными)

подключаются к проводам А и В для согласования "открытого" конца кабеля связи с остальной линией с целью устранения такого явления как «отражение сигнала». Назначение резисторов смещения Rсм и терминаторных резисторов Rт будет объяснено далее.

Максимальная протяженность линии связи RS-485 без использования дополнительный усилителей сигнала составляет 1200м.

2) В RS-485 используется дифференциальная передача сигнала. Это означает, что уровни напряжений на линиях А и В при передаче сигналов логического «0» и логической «1» меняются в противофазе (дифференциально), как показано на приведенном ниже рис.5.8:

7

Рис.5.8. Дифференциальный сигнал RS485

3) Выходной каскад (передатчик) формирователя интерфейсного сигнала по рис.5.7.

является источником напряжения, т.е. характеризуется малым выходным сопротивлением. Выходной дифференциальный сигнал формируется в линию связи в диапазоне от 1,5В

до 6,0В таким образом, что:

для состояния логической «1» («отключен», OFF) потенциал в точке А должен быть отрицательным по отношению к точке В: (B–A) > +200мВ;

для состояния логического «0» («включен», ON) потенциал в точке А должен быть положительным по отношению к точке В: (B–A) < ─200мВ.

Выходной каскад должен обеспечивать формирование сигнала с максимальным выходным током 250мА. Формирование сигнала большей мощности должно исключаться защитой.

Формирователь выходного сигнала должен сохранять свою работоспособность при передаче двоичного состояния сигнала в условиях:

короткого замыкания выходных клемм А и В;

подключения к его клеммам источника напряжения от минус 7В до плюс 7В, что означает конфликтную ситуацию: одновременный переход нескольких узлов в активное состояние

поступлении на клемму А или клемму В относительно общего провода «общ» в пассивном состоянии импульсов помех напряжением +25В длительностью 15мкс, следующих со скважностью не менее 100.

4) Состояние сигнала на входе приемника по рис.5.7 определяется следующим обра-

зом:

для состояния логической «1» («отключен», OFF) потенциал в точке А должен быть отрицательным по отношению к точке В: (B–A) > +200мВ;

для состояния логического «0» («включен», ON) потенциал в точке А должен быть положительным по отношению к точке В: (B–A) < ─200мВ.

Для защиты входного каскада в ситуации, когда разница напряжения между входами A

иB будет меньше 200мВ (неопределённое состояние), применяется защитное смещение, которое создается с помощью резисторов Rсм (см. рис.5.7).

Сопротивлениями Rсм задаются потенциалы шин А и В. Выбор Rсм осуществляется так, чтобы на сигнальных шинах должно быть создано смещение, предназначенное для защиты приемников от ложных срабатываний. Оно должно быть чуть более 200 мВ (зона недостоверности входного сигнала согласно стандарту). При этом цепь A "подтягивают" к положительному полюсу источника, а цепь B – к "общему".

5)На дифференциальный вход приемника могут подавляться значительные синфазные напряжения помехи Vos по рис.5.9, источником которых являются не скомпенсированные разности потенциалов земли между узами передатчика и приемника по рис.5.7 в тех случаях, когда не используется общий провод. Приемник интерфейсного сигнала должен сохра-

8

нять свою работоспособность при воздействии на него синфазного напряжения Vos в диапазоне от минус 7 до плюс 7 В.

	Входной каскад
ПИП	приемника

Vos

Рис.5.9. Действие синфазной помехи

Поскольку сигнал помехи Vos одновременно поступает на неинверсирующий и инверсирующий входы, то, если коэффициенты усиления каждого канала ОУ равны, то на выходе ОУ результирующая амплитуда помехи будет равна нулю: это свойство дифференциального

ОУ.

6) Скорость нарастания сигнала на выходе передатчика должна быть более 1,2 В/мкс. Стандартом определены следующие скорости передачи сигнала с использованием ви-

той пары: 62,5 кбит/с, 375 кбит/с, 2400 кбит/с. На скоростях обмена свыше 500 кбит/с рекомендуется использовать экранированные витые пары.

Для характеристики интерфейса по показателям (скорость передачи сигнала) ─ (длина линии связи) приведем следующие данные: 62,5 кбит/с ─1200 м, 375 кбит/с ─300 м, 2400

кбит/с ─100 м, 10000 кбит/с ─10 м.

При большой длине линии связи возникают эффекты влияния распределенных индуктивных и емкостных свойств кабеля, которые способствуют возникновению резонансных явлений. Не вдаваясь в особенности распространения сигналов в протяженных линиях связи, можно утверждать, что если на приемном конце кабельной линии связи подключен терминаторный резистор Rт (см. рис. 5.6) с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, то резонансные явления значительно ослабляются. В RS485 Rт ставятся на каждой оконечности длинной линии (поскольку обе стороны могут быть приемными).

На скоростях 9600 бит/с и ниже, резонансные явления в масштабах способных ухудшить качество связи практически не проявляются, и вопроса согласовании линии часто воо-- бще не возникает. Так на скорости 9600 бит/с длительность бита составляет 104 мкс (1/9600). . Электрический сигнал в витой паре за это время пройдет около 31 километра. При длине кабеля 1200м сигнал частично отраженный от несогласованных концов кабеля может несколько исказить только фронт основного сигнала (первые 7 мкс импульса), но не его основную форму в целом.

7) Разъем RS485 состоит из двух или трех контактов:

B или '+' (TxD+/RxD+), не инвертированный;

A или '─-' (TxD-/RxD-), инвертированный;

Опциональный общий провод. Соединение общих шин устройств не обязательно, но улучшает устойчивость работы интерфейса, исключая возникновения разности потенциалов между узлами передатчика и приема сигнала и воздействие синфазной помехи.

Тип соединителей и распайка стандартом RS-485 не определяются. Встречаются как соединители типа DB9, так соединители клеммные.

9

При подключении следует правильно присоединить сигнальные цепи А и В. Переполюсовка сигналов не страшна, но устройство работать не будет.

8) Максимальная протяженность линии связи RS-485 составляет 1200м, но она может увеличиваться путем использования повторителей сигнала П (рис.5.10):

СУ

П

П

ПМ

ПМ

ПМ

ПМ

ПМ

ПМ

Рис.5.10 . Магистральна структура RS485 с повторителями сигнала

Повторители П позволяют увеличивать длину линии связи с дискретностью 1200м. Входное сопротивление приемника R номинально равно 12 кОм. На магистральном

канале связи длиной до 1200м к системному устройству СУ максимально может быть подключено до 32-х ПМ.

Если при реализации интерфейса RS-485 в нем используются микросхемы, обеспечивающие входное сопротивлением 48кОм, то количество ПМ на участке между СУ и П может быть увеличено в 4 раза, т.е. до 128.