Особенности последовательной связи

ПЛК, ЧПУ, одноплатные компьютеры и т.д. / Интерфейсы / COM порт
Alexsandrs
934
27-09-2017, 14:11
0

Алексей Полунин

Когда-то значение интерфейса последовательной связи, RS-232C, было чрезвычайно велико для телекоммуникаций. Пожалуй не было ни одного устройства, который не имел этого интерфейса либо для служебных задач, либо для передачи информационных сигналов. Зачастую, объединение таких устройств становилось не тривиальной задачей. Сегодня все проще, есть USB, который заметно упростил жизнь. Эту статью было решено оставить в новой версии вестника в знак заслуг старого, доброго RS-232.

Формат кадра асинхронной передачи

Последовательные коммутационные порты персонального компьютера поддерживают асинхронную бит-ориентированную передачу. Каждый байт данных в этом случае передается последовательно, бит за битом, начиная с младшего разряда. Для обеспечения верного приема байты дополняются служебными битами, образуя кадры передачи. На рисунке представлен формат такого кадра и уровни передачи для интерфейса RS-232С.

Терминология, описывающая формат кадра, унаследована от телеграфной связи, где впервые была применена последовательная передача.
В исходном состоянии линия последовательной передачи имеет напряжение низкого уровня, которое соответствует логической “1”. Это состояние называется - MARK. Переход напряжения на линии к высокому уровню (логический “0”) означает появление стартового бита кадра передачи. Данное состояние называется - SPACE.
Микросхемы коммутационных портов, универсальные асинхронные приемо-передатчики, для повышения помехоустойчивости анализируют состояние линии в середине длительности принимаемых битов. Переход входного линейного напряжения от низкого уровня к высокому запускает отсчет времени задержки на половину длительности стартового импульса. Величина задержки зависит от установленной скорости обмена. Если по истечению времени задержки высокий уровень еще присутствует, то фиксируется стартовый бит. Далее принимаемые биты фиксируются через задержку, равную полной длительности импульсов и отсчитываемую от середины предыдущего импульса.
Скорость обмена выбирается из стандартного ряда от 110 до 115200 бод. В технике связи общая скорость передачи на линии измеряется в бодах, число тактов несущей в секунду. В общем случае с помощью одного бода можно передавать несколько бит (этот прием используется во многих стандартах передачи), но на выходе коммутационного порта персонального компьютера один бод равен одному биту. Информационная скорость (бит/сек) всегда ниже, так как передаваемый байт “обрастает” служебными битами.
Контрольный бит позволяет обнаруживать некоторые ошибки передачи. Для этого он устанавливается либо в “0”, либо в “1”, в зависимости от числа “0” или “1” в передаваемом байте. Конкретный тип контроля передачи выбирается программированием соответствующего регистра микросхемы коммутационного порта персонального компьютера.
Стоповый бит или биты имеют уровень MARK и завершают кадр последовательной передачи. Промежуток между кадрами можно рассматривать как несколько стоповых битов. Если линия находится в таком состоянии больше определенного времени, то фиксируется сигнал BREAK - сигнал разрыва связи. В настоящее время этот сигнал практически не применяется.

Коммутационный интерфейс компьютера

В коммутационных портах компьютеров используется стандартный интерфейс RS-232C, разработанный американской ассоциацией электронной промышленности (EIA). Международным телекоммуникационным союзом (ITU-T) была принята рекомендация V.24, описывающая набор сигналов обмена для последовательной передачи. Рекомендация V.28 определяет электрические характеристики интерфейса V.24. Совокупность рекомендаций V.24/V.28 является аналогом RS-232C. Они гарантированно поддерживают работу на скоростях до 20000 бод при длине кабеля до 15 метров. На практике можно достигнуть скорости до 115200 бод при коротком низкоемкостном кабеле.
Стандартом RS-232C определяется 25 рабочих цепей. В таблице 1 приведен полный перечень цепей интерфейсов RS-232C/V.24 для разъемов DB25 и DB9.

Таблица 1

Разъем DB25	Разъем DB9	Номер цепи V.24	Мнемоника RS232C	Название цепи	Направление
1	8	-	AA	Корпус, защитное заземление	-
2	3	103	BA	Передача (TD)	к DCE
3	2	104	BB	Прием (RD)	к DTE
4	7	105	CA	Запрос передачи (RTS)	к DCE
5	8	106	CB	Готов к передаче (CTS)	к DTE
6	6	107	CC	DCE готово (DSR)	к DTE
7	5	102	AB	Сигнальное заземление	-
8	-	109	CF	Детектор принимаемого сигнала (DCD)	к DTE
9	-	-	-	+ 12 В, 20 мА, токовая петля	к DTE
10	-	-	-	- 12 В, 20 мА, токовая петля	к DTE
11	-	126	-	Выбор частоты передачи	к DCE
12	-	122	SCF	Детектор принимаемого сигнала обратного канала	к DTE
13	-	121	SCB	Обратный канал готов	к DTE
14	-	118	SBA	Передаваемые данные обратного канала	к DCE
15	-	114	DB	Синхронизация элементов передаваемого сигнала	к DTE
16	-	119	SBB	Принимаемые данные обратного канала	к DTE
17	-	115	DD	Синхронизация элементов принимаемого сигнала (для синхронного режима)	к DTE
18	-	-	-	Не подсоединена	-
19	-	120	SCA	Включить линейный сигнал обратного канала	к DCE
20	-	108.1/108.2	-/CD	Подсоединить модем к линии / DTE готово (DTR)	к DCE
21	-	110	CG	Детектор качества сигнала данных	к DTE
22	9	125	CE	Индикатор вызова (RI)	к DTE
23	-	111	CH	Переключатель скорости передачи данных	к DCE
24	-	113	DA	Синхронизация элементов принимаемого сигнала (для синхронного режима)	к DCE
25	-	-	-	Не подсоедина

Обычно используется не более 9 цепей интерфейса RS-232C. В первую очередь это объясняется тем, что последовательный порт IBM-совместимого персонального компьютера реализуется на микросхеме 8250 и ее усовершенствованных модификациях 16450, 16550, 16550А фирмы Intel. Данные микросхемы используют только 4 сигнала квитирования (DTR, DSR, RTS, CTS), индикаторы состояния (RI, DCD) и линии приема/передачи (RD, TD). В совокупности с возможностями устройств DCE (модемов) и терминальных программ такой набор цепей интерфейса RS-232C позволяет решить практически любую телекоммуникационную задачу.
Несмотря на стандартизацию, интерфейс RS-232C может иметь варианты реализации как по набору управляющих сигналов, так и по типам разъемов. Будет хорошо, если два устройства с интерфейсами RS-232C, соединенные друг с другом, сразу заработают.
При работе с интерфейсом RS-232C следует помнить, что он был разработан для стыка устройств DTE (оконечное оборудование данных, Data terminal equipment) с устройствами DCE (аппаратура окончания канала данных, Data circuit-terminating equipment). Персональные компьютеры выполняются как терминалы (DTE) и снабжаются штырьковыми разъемами DB25 или, что гораздо чаще - DB9. Модемы относятся к устройствам DCE и имеют гнездовые разъемы DB25 или DB9.
Взаимное соответствие типов разъемов устройств DTE и DCE еще не гарантирует успешной связи, так как следует согласовать управляющие сигналы. Дело в том, что одно устройство может устанавливать и ожидать сигналы квитирования, а другое попросту их игнорировать.
Если связь устанавливается между двумя DTE или двумя DCE, то соединение напрямую соответствующих контактов разъемов бессмысленно, так как цепь приема будет соединена с цепью приема, а цепь передачи с цепью передачи и т.п. Забегая вперед отметим, что при соединении двух одинаковых устройств следует использовать кросс-кабель (нуль-модемный кабель).
Для того чтобы разобраться в правилах соединения интерфейсов RS-232C рассмотрим назначение и особенности использования управляющих сигналов этого интерфейса. В таблице 2 приведены используемые в коммуникационных портах персональных компьютеров цепи интерфейса RS-232C и более употребительная мнемоника.

Таблица 2

Разъем DB25	Разъем DB9	Мнемоника RS-232C	Название цепи	Направление
Пара обмена данными
2	3	TD	Передаваемые данные	к DCE
3	2	RD	Принимаемые данные	к DTE
Пара квитирования
4	7	RTS	Запрос передачи	к DCE
5	8	CTS	Готов к передаче	к DTE
Пара квитирования
20	4	DTR	DTE готово	к DCE
6	6	DSR	DCE готово	к DTE
Индикаторы состояния
8	1	DCD	Детектор принимаемого сигнала	к DTE
22	9	RI	Индикатор вызова	к DTE
Цепи заземления
1	-	FG	Защитное заземление	-
7	5	SG	Сигнальное заземление	-

Название всех сигналов относится к устройству DTE. Эта особенность порой является причиной путаницы и ошибок, так как и со стороны DTE, и со стороны DCE контакт 2 (для DB25) называется цепью передачи. А на самом деле контакт 2 устройства DCE принимает данные. Поэтому при соединении различных устройств следует четко определить какое из них является DTE, а какое DCE.
В общем случае, при соединении устройств DTE и DCE, между ними происходит установление соединения по следующему алгоритму:

Для приведения устройства DCE в активное состояние устройство DTE должно установить сигнал DTR (Data Terminal Ready). Ответным сигналом DSR (Data Set Ready) устройство DCE сообщает о своей готовности.
В случае поступления сигнала вызова на устройство DCE из канала связи, оно посылает сигнал RI (Ring Indicator) в устройство DTE. При этом устройство DCE не должно начинать процедуру установления соединения с противоположным устройством DCE пока в ответ на сигнал RI не получит сигнал DTR от своего устройства DTE.
Сигнал DCD (Data Carrier Detect) устанавливается после вхождения в связь двух устройств DCE. После обмена сигналами DTR, DSR и получения сигнала DCD устройство DTE перед началом передачи устанавливает сигнал RTS (Request To Send) и ожидает ответного сигнала CTS (Clear To Send) от устройства DCE.

Если короче и проще, то вообще-то пара сигналов DTR - DSR используется для определения, что интересующее устройство существует и включено, а пара RTS - CTS разрешает или запрещает передачу. Сигнал DCD информирует об образовании канала связи с удаленной стороной, а сигнал RI о приходящем вызове.
Довольно часто полный алгоритм установления соединения не используется. По прихоти разработчиков аппаратных или программных средств набор используемых цепей может быть сокращен до минимума, например могут быть оставлены только цепи приема и передачи. Игнорирование цепей интерфейса компенсируется различными программными решениями.

Для соединения устройств с различным набором используемых сигналов интерфейса RS-232C применяются следующие виды кабелей:

Для случая полного протокола квитирования

Для случая отсутствия квитирования хотя бы на одной стороне

При таком кабеле устройство, требующему ответные сигналы, “обманывают” его же собственными сигналами.

Для случая полного протокола квитирования

нуль-модемный кабель

Для случая полного протокола квитирования

нуль-модемный кабель

Для случая отсутствия квитирования хотя бы на одной стороне

с имитацией квитирования

Для случая отсутствия квитирования хотя бы на одной стороне

с имитацией квитирования

На рисунках указаны контакты для разъема типа DB25. Соответствующие контакты для DB9 можно получить из таблицы 2. Имитация ответных сигналов имеет один побочный результат - устройство никаким образом не может определить существование сопряженного с ним устройства.
С помощью этих кабелей, различных переходников DB25 - DB9 и переходников типа штырь - штырь, гнездо - гнездо можно соединить (а может быть и заставить работать) все виды аппаратуры, использующей интерфейс RS-232C.

Источник: http://www.linkc.ru

Обсудить на форуме