В уроке расскажу о радиальных интерфейсах, функционально повторяющих UART, но позволяющих значительно увеличить длину линии связи.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

В предыдущем уроке я перечислил параметры интерфейсов, которые в большей мере влияют на помехоустойчивость. На первое место я поставил уровень сигналов в линии связи. Чем больше амплитуда сигнала, тем труднее помехе исказить сигнал до недопустимого состояния. Например, в стандартном интерфейсе UART:

• уровень логического 0 около 0 В;
• уровень логической 1 около 5 В;
• порог срабатывания входов приблизительно 2,5 В.

Значит, для того чтобы вызвать ложное срабатывание помехе или наводке, достаточно изменить напряжение в контуре передачи на 2,5 В (5 – 2,5 В или 0 + 2,5 В).

Вывод – для повышения помехоустойчивости необходимо увеличить напряжение сигналов в линии связи. Именно по такому пути пошли разработчики стандарта интерфейса RS-232.

 

Общее описание интерфейса RS-232.

Это один из самых распространенных в недавнем прошлом интерфейсов. Он был штатным устройством в любом персональном компьютере. В компьютерах RS-232 называется COM портом, в переводе - коммуникационный интерфейс. Практически вся аппаратура подключалась к компьютеру через COM порт.

Как правило, RS-232 присутствует и на современных системных платах. Часто он просто не выведен на заднюю стенку системного блока. Если же на компьютере нет COM порта, то его всегда можно реализовать с помощью простого преобразователя USB-COM, обычно встроенного в кабель.

Схема подключения устройств через RS-232 ничем не отличается от схемы для интерфейсов UART.

В минимальном варианте это два сигнала с общим проводом. Даже названия у сигналов такие же, как у UART.

Единственное отличие это уровни напряжения сигналов. Для RS-232 приняты следующие параметры:

Параметр	Значение
Напряжение логического 0 передатчика	+5 … + 15 В
Напряжение логической 1 передатчика	- 5 … - 15 В
Напряжение логического 0 приемника	более + 3 В
Напряжение логической 1 приемника	менее – 3 В

Обычно логическим уровням сигнала 0/1 соответствуют напряжения +12 /- 12 В. Пороги срабатывания приемника четко нормированы:  0/1 соответствуют напряжениям +3 / -3 В. В диапазоне -3 … +3 В состояние сигнала считается неопределенным. Оно остается прежним до тех пор, пока уровень сигнала не достигнет противоположного порога.

При таких параметрах сигналов, для того  чтобы вызвать ложное срабатывание помеха должна навести в контур передачи напряжение:

• + 15 В для состояния логической 1 (-12 В  увеличить до + 3 В);
• - 15 В для состояния логического 0 (+12 В уменьшить до - 3 В).

Сравните с аналогичным значением напряжения помехи для UART, равным 2,5 В. Увеличение амплитуды сигналов и порога срабатывания одинаково благоприятно сказывается на всех видах помех:

• помехи и наводки от внешних электромагнитных полей;
• взаимное влияние линия связи:
• земляные помехи и токи утечек в общем проводе.

Все остальные проблемы UART остаются в RS-232:

• отсутствие гальванической развязки;
• общий провод, который не позволяет эффективно использовать витые пары;
• помехи по контуру заземления.

Можно привести схему влияния помех на сигналы в линиях связи RS-232. Эта абсолютно та же схема из предыдущего урока для интерфейса UART.

Тем не менее, одно повышение уровня сигналов позволило значительно увеличить максимальную длину линии связи. Стандарт RS-232 нормирует максимально допустимое расстояние между абонентами 15 м. И это для соединения простыми неэкранированными проводами.

В зависимости от конкретных условий (экранированных проводов, снижения скорости передачи, общей земли и т.п.) расстояние между устройствами может достигать нескольких десятков метров.

 

Параметры интерфейса RS-232.

Существует множество международных стандартов на интерфейс RS-232. Например:

• ITU-Tv.24;
• ITU-Tv.28.

Есть отечественные, еще советские  ГОСТы. В них интерфейс RS-232 назван ”Стык С2”, очевидно из идеологических соображений.

• ГОСТ 23675-79;
• ГОСТ 18145-81.

Основные параметры я свел в таблицу.

Параметр	Значение
Топология	Радиальный интерфейс
Линия связи	Сигналы (2-8) с общим проводом
Гальваническая развязка	нет
Скорость передачи	до 460 кбит в сек
Максимальная длина линии связи	15 м
Приемник
Напряжение логического 0	более + 3 В
Напряжение логической 1	менее – 3 В
Входное сопротивление	3000 … 7000 Ом
Входное напряжение	± 3 … ± 15 В
Входная емкость	не более 2500 пкФ
Передатчик
Короткое замыкание и обрыв	Допускаются без ограничения во времени
Выходное напряжение в разомкнутой цепи	не более ± 15 В
Ток короткого замыкания	не более 0,5 А
Емкостная нагрузка	до 2500 пкФ

 

Разъемы интерфейса RS-232.

Кроме известных нам сигналов TxD и RxD стандарт на интерфейс описывает еще несколько необязательных сигналов, предназначенных для управления потоком данных. В компьютерном COM порте эти сигналы реализованы. Ими можно произвольно управлять из программы.

Как правило, дополнительные сигналы используются как универсальные входы и выходы.  Например, сигнал DTR сбрасывает микроконтроллер плат Ардуино при загрузке программы из Arduino IDE. Я не буду подробно описывать их стандартное назначение.

Первоначально в интерфейсе RS-232 применялись 25 контактные разъемы DB-25. Затем стандартным разъемом стал 9 контактный DB-9.

В настоящее время стандартным разъемом интерфейса RS-232 является DB-9.

В обоих случаях со стороны блочной части используются вилки, а кабельная часть это розетки.

В таблице приведено назначение контактов RS-232 для обоих типов разъемов.

Контакт для DB-25	Контакт для DB-9	Название сигнала	Направление	Описание
8	1	DCD	вход	Наличие несущей. Уровень принимаемого сигнала в норме, модем подключен.
3	2	RxD	вход	Прием данных. Данные от другого устройства.
2	3	TxD	выход	Передача данных. Данные передаваемые на другое устройство.
20	4	DTR	выход	Готовность приемника. Сообщает о готовности устройства к приему данных.
7	5	GND		Общий провод
6	6	DSR	вход	Готовность передатчика. Устройство готово для передачи данных.
4	7	RTS	выход	Запрос на передачу данных. Переводит другое устройство в режим передачи данных.
5	8	CTS	вход	Готовность передаче.  Готовность другого устройства к передаче.
22	9	RI	вход	Сигнал вызова.  Индикатор вызова (телефонного звонка).

 

Схемотехническая реализация RS-232.

Для того, чтобы из интерфейса UART сделать RS-232 достаточно добавить преобразователи уровней сигналов. Преобразователи не осуществляют никаких логических действий. Они просто конвертируют сигналы логических уровней 0/5 В в уровни +12 / -12 В и наоборот.

Преобразователи можно реализовать на дискретных элементах. Вот схема приемника на базе инвертирующего транзисторного ключа.

Передатчики реализовать на дискретных элементах гораздо сложнее. Требуется двух полярный ключ и два питания к нему + 12 В и – 12 В. Иногда используют транзисторные ключи формирующие выходной сигнал 0 / 5 В. Некоторые приемники RS-232 работают с таким сигналом, некоторые нет. В любом случае нормальная работа интерфейса с такими сигналами не гарантируется.

Для реализации полноценного двухстороннего обмена лучше использовать интегральные преобразователи RS-232. Их существует множество. Я предпочитаю микросхемы MAX232, SP232, ADM232.

Микросхема	Производитель	Ссылка на документацию
MAX232	Maxim Integrated Products	MAX232.pdf MAX_RS232.pdf MAX220-249.pdf
SP232	Sipex	SP_RS232.pdf
ADM232	Analog Devices	ADM222_232_242.pdf

Это микросхемы разных производителей, но с одинаковыми функциями, параметрами, назначением выводов. Я собираюсь сделать их обзор в разделе электронные компоненты.

В 16 выводном корпусе реализованы преобразователи уровней для 2 входных и 2 выходных сигналов RS-232. Питаются преобразователи от одного напряжения 5 В. Необходимые для передатчиков напряжения + 12 В и – 12 В вырабатываются на внутренних конденсаторных инверторах. Микросхема требует подключения 5 внешних компонентов, все конденсаторы.

 

Подключение платы Ардуино через интерфейс RS-232.

Думаю после всего выше написанного подключение платы Ардуино к компьютеру или соединение плат Ардуино между собой через RS-232 не вызовет никаких проблем.

Надо добавит к плате преобразователь уровней RS-232. Можно использовать готовый модуль, например, этот.

По моей партнерской ссылке он стоит 60 руб.

Можно собрать на микросхеме MAX232. В том же интернет магазине она стоит 20 руб.

Схема преобразователя RS-232 для платы Ардуино выглядит так.

Эта схема преобразователя с кабелем. Если разъем RS-232 установлен на корпусе устройства, то сигналы TxD и RxD надо поменять местами на разъеме DB-9.

Тогда для соединения устройств используется ”перекрестный” кабель.

К компьютеру устройство можно подключить через стандартный COM порт, если он есть, или использовать преобразователь USB-RS232. Их существует множество типов.

Схему такого преобразователя я приводил в статье о микросхеме CH340G.

Программы из уроков 48 и 49 должны без проблем работать с RS-232. Мы ничего не поменяли в логике работы сети. Изменили только уровни сигналов.

 

Интерфейс RS-422.

Очень коротко расскажу об этом интерфейсе. Он применяется крайне редко.

Это радиальный интерфейс, в котором передача сигналов происходит дифференциальным способом. Для подключения каждого сигнала используется витая пара из двух проводов (линий). Передатчики формируют на линиях противофазные логические уровни, а приемники воспринимают разность напряжения между линиями. В результате значительно повышается помехоустойчивость системы.

Способ передачи сигналов, электрические параметры RS-422 полностью соответствуют требованиям интерфейса RS-485. Отличие только в том, что RS-422 радиальный интерфейс, а RS-485 – шинный.  Через первый можно связать только 2 устройства между собой, а вторым интерфейсом можно соединить одной линией связи несколько устройств.

Подробно об этом всем я расскажу в уроке про RS-485. А сейчас коротко приведу основные параметры RS-422.

Параметр	Значение
Топология	Радиальный интерфейс
Линия связи	2 витые пары и общий провод
Гальваническая развязка	нет
Режим обмена данными	Дуплекс
Способ передачи сигнала	Дифференциальный
Максимальная длина линии связи	1200 м
Максимальная скорость обмена данными	10 Мбит в сек

 

В следующем уроке расскажу об интерфейсе ИРПС, очень простом, но эффективном способе передачи данных.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок