Интерфейс RS-232С

2.1 Интерфейс RS-232С

Интерфейс RS-232С  предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД - оконечное оборудование данных, или AПД- аппаратура передачи данных; DTE - Data Terminal Equipment), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД DCE - Data Communication Equipment). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух устройств АПД. Полная схема соединения приведена на рис. 2.1; интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АКД, соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 2.2)

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. Функционально RS-232С эквивалентен стандарту МККТТ V.24/V.28 и стыку С2, но они имеют различные названия сигналов.

Стандарт RS-232C описывает  несимметричные передатчики и приемники - сигнал передается относительно общего провода - схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах - например, RS-422). Интерфейс не обеспечивавтп гальванической развязки устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне от - 12 до - 3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON («включено»), для линий последовательных данных - МАRК. Логическому нулю соответствует диапазон от +3 до +12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется ОFF («выключено»), а для линий последовательных данных - SРАСЕ. Диапазон от -3 до +3 В - зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника; состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога (рис. 2.3). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах от - 12 до - 5 В и от +5 до +12 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.

ВНИМАНИЕ: Подключение 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.

Стандарт RS-232С  регламентирует типы применяемых разъемов.

На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ-портах) принято устанавливать вилки, DB-25P или более компактный вариант - DB-9Р. Девятиштырьковые разъемы не имеют  контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного  режима (в большинстве 25-штырьковых разъемах эти контакты не используются), На аппаратуре AКД (модемах) устанавливают розетки DB-25Б или DB-9Б.

Это правило  предполагает, что разъемы АКД  могут подключаться к разъемам АПД  непосредственно или через переходные «прямые» кабели с розеткой и вилкой, у которых контакты соединены «один в один». Переходные кабели могут являться и переходниками с 9 на 25-штырьковые разъемы (рис. 2.4).

Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются  между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem, или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки, контакты которых соединяются перекрестив по одной из схем, приведенных на рис. 2.5.

Если на каком-либо устройстве АПД установлена розетка - это почти 100% того, что к другому  устройству оно должно подключаться прямым кабелем, аналогичным кабелю подключения модема. Розетка устанавливается обычно на тех устройствах, у которых удаленное подключение через модем не предусмотрено.

В табл. 2.1 приведено  назначение контактов разъемов СОМ-портов (и любой другой аппаратуры передачи данных АПД). Контакты разъема DB-25S определены стандартом EIA/TIA-232-Е, разъем DB-9S описан стандартом EIA/TIA-574. У модемов (АКД) название цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Подмножество  сигналов RS-232С, относящихся к асинхронному режиму, рассмотрим с точки зрения СОМ-порта РС. Для удобства будем  пользоваться мнемоникой названий, принятой в описаниях СОМ-портов и большинства  устройств (она отличается от безликих обозначений RS-232 и V.24). Напомним, что активному состоянию сигнала («включено») и логической единице передаваемых данных соответствует отрицательный потенциал (ниже - 3 В) сигнала интерфейса, а состоянию «выключено» и логическому нулю - положительный (выше +3 В). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл. 2.2. Нормальную последовательность управляющих сигналов для случая подключения модема к СОМ-порту иллюстрирует рис. 2.6.

1. Установкой DTR компьютер указывает на желание  использовать модем.
2. Установкой DSR модем сигнализирует о своей готовности и установлении соединения.
3. Сигналом RTS компьютер запрашивает разрешение на передачу и заявляет о своей готовности принимать данные от модема.
4. Сигналом CTS модем уведомляет о своей готовности к приему данных от компьютера и передаче их в линию.
5. Снятием CTS модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема (например, буфер заполнен) - компьютер должен приостановить передачу данных.
6. Сигналом CTS модем разрешает компьютеру продолжить передачу (в буфере появилось место).
7. Снятие RTS может означать как заполнение буфера компьютера (модем должен приостановить передачу данных в компьютер), так и отсутствие данных для передачи в модем. Обычно в этом случае модем прекращает пересылку данных в компьютер.
8. Модем подтверждает снятие RTS сбросом CTS.
9. Компьютер повторно устанавливает RTS для возобновления передачи.
10. Модем подтверждает готовность к этим действиям.
11. Компьютер указывает на завершение обмена.
12. Модем отвечает подтверждением.
13. Компьютер снимает DTR, что обычно является сигналом на разрыв соединения («повесить трубку»).
14. Модем сбросом DSR сигнализирует о разрыве соединения.

Из рассмотрения этой последовательности становятся понятными соединение DTR -- DSR и RTS -- CTS в нуль-модемных кабелях.

2.2 Родственные интерфейсы  и преобразователи  уровней

В последовательном интерфейсе далеко не всегда используют двуполярные сигналы RS-232С - это неудобно, хотя бы из-за необходимости использования двуполярного питания приемопередатчиков. Сами микросхемы вышеописанных приемопередатчиков UART работают с сигналами логики ТТЛ или КМОП; такие же сигналы используются, например, и в сервисных портах винчестеров и других устройств. Многие устройства (в том числе карманные ПК и мобильные телефоны) имеют внешний последовательный интерфейс с уровнями низковольтной логики. Конечно, сигналы обычной логики не имеют столь высокой помехоустойчивости, как RS-232С, но не всегда это и требуется.

Для взаимного преобразования уровней интерфейса RS-232С и логики специально выпускаются буферные микросхемы приемников (с гистерезисом) и передатчиков двуполярного сигнала. При несоблюдении правил заземления и коммутации они обычно становятся первыми жертвами «пиротехнических» эффектов. Раньше их нередко устанавливали в «кроватки», что облегчало их замену. Цоколевка популярных микросхем формирователей сигналов RS-232С приведена на рис. 2.7. 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 превышает 20 мА.

В специальных кабелях-адаптерах часто применяют преобразователи уровней фирмы Maxim и Sypex; они удобны тем, что содержат и приемники, и передатчики. Из широкого ассортимента этих преобразователей легко подобрать подходящий по количеству приемников и передатчиков, а также по питанию (однополярному, двуполярному, низковольтному).

Когда требуется  большая помехоустойчивость (дальность  и скорость передачи), применяют  иные электрические варианты последовательных интерфейсов: RS-422А (V.11, Х.27), RS-423А (V. 10, Х.26), RS-485. На рис. 2.8 приведены схемы соединения приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V). Несимметричные линии интерфейсов RS-232С и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS-423А позволяет в какой-то мере исправить ситуацию. Лучшие параметры имеют интерфейсы RS-422А и RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные приемопередатчики с отдельной (витой) парой проводов для каждой сигнальной цепи.

Интерфейсы EIA-RS-422 (ITU-Т V.11, Х.27) и EIA-RS-485 (ISO 8482) используют симметричную передачу сигнала и допускают  как двухточечную, так и шинную топологию соединений. В них информативной  является разность потенциалов между  проводниками А и В. Если на входе приемника U_A-U_B>0,2В (А положительнее В) - состояние «выключено» (space), U_A-U_B<-0,2В (А отрицательнее В) - состояние «включено» (mark). Диапазон |U_A-U_B|<0,2В является зоной нечувствительности (гистерезис), защищающей от воздействия помех. На выходах передатчика сигналы U_A и U_B обычно переключаются между уровнями 0 и +5 В (КМОП) или +1 и +4 В (ТТЛ), дифференциальное выходное напряжение должно лежать в диапазоне 1,5-5 В. Выходное сопротивление передатчиков 100 Ом. Интерфейсы электрически совместимы между собой, хотя и имеют некоторые различия в ограничениях. Принципиальное отличие передатчиков RS-485 - возможность переключения в третье состояние. Передатчики RS-422/485 совместимы с приемниками RS-423. Основные параметры интерфейсов приведены в табл. 2.3, топологию соединений иллюстрирует рис. 2;9.

Чтобы увеличить  число узлов, можно повысить входное  сопротивление приемников, но при  этом снижается допустимая скорость или максимально возможная дальность  передачи. Максимальная скорость передачи на коротких расстояниях (до 10 м) ограничивается быстродействием передатчиков (достижима частота 25 МГц). На средних расстояниях ограничение определяется емкостью кабеля (1200 бит/с - 25 нФ, 9600 бит/с - 30 нФ, 115 кбит/с - 250 пФ). Максимальная дальность (1200 м) ограничена сопротивлением петли постоянному току.

Интерфейс RS-485 может  быть в двух версиях: двухпроводной  и четырехпроводной. Четырехпроводная версия (рис. 2.9, 6) выделяет задающий узел (master), передатчик которого работает на приемники всех остальных. Передатчик задающего узла всегда активен - переход в третье состояние ему не нужен. Передатчики остальных ведомых (slave) узлов должны иметь тристабильные выходы, они объединяются на общей шине с приемником ведущего узла. В двухпроводной версии (рис. 2.9, в) все узлы равноправны.

В вырожденном  случае - при двухточечном соединении - интерфейсы RS-485 и RS-422 эквивалентны, и третье состояние не используется.

Для определенности состояния покоя шины RS-485, когда  нет активных передатчиков, на линию  устанавливают активные терминаторы, «растягивающие» потенциалы проводов. В покое провод В должен иметь более положительный потенциал, чем А.

При многоточечном  соединении необходимо организовать метод доступа к среде передачи. Чаще всего используют полинг (polling) - опрос готовности к передаче, выполняемый ведущим устройством, или передачу права доступа в соответствии с определенным (установленным) регламентом. Иногда используют и методы случайного доступа (аналогично Ethernet).

Дифференциальный  вход интерфейсов защищает от действия помех, но при этом должно осуществляться соединение «схемных земель» устройств  между собой и с шиной заземления. Для соединения устройств между  собой используют третий провод интерфейса (можно и экран). Для того чтобы по третьему проводу не протекал большой ток, выравнивающий «земляные потенциалы», в его цепь включают резисторы (рис. 2.10).

Интерфейс RS-422 часто  используется для подключения периферийных устройств (например, принтеров). Интерфейс RS-485 популярен в качестве шин устройств промышленной автоматики.

Интерфейс «токовая петля» для представления сигнала  использует не напряжение, а ток  в двухпроводной линии, соединяющей  приемник и передатчик. Логической единице (состоянию «включено») соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю - отсутствие тока. Такое представление сигналов для вышеописанного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии - приемник заметит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянный логический нуль).

Токовая петля  обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы  устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. Существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса. Заметим, что интерфейс MIDI (см. п. 8.5.3) с «классической» токовой петлей несовместим.