С появлением интерфейса USB количество последовательных портов, устанавливаемых на последовательные устройства и компьютерные хосты, уменьшилось, но последовательные интерфейсы по-прежнему широко используются в промышленных сетях и коммерческих проектах. Сегодня используются десятки последовательных интерфейсов данных. Большинство из них были разработаны для конкретных приложений. Некоторые стали общепринятыми, например I2C, CAN, LIN, SPI, программно-аппаратные, MOST и I2S. Существуют и более скоростные последовательные интерфейсы, такие как Ethernet, HDMI и Thunder. Два наиболее классических интерфейса - RS232 и RS485. Причина, по которой эти давно известные интерфейсы Ethernet используются во все времена, должна иметь значение. Итак, давайте разберемся, каковы принципы работы RS485 и RS232? В чем разница? Какая ценность может заставить их работать вечно?
Вся цель последовательного интерфейса - обеспечить единый путь для передачи данных по беспроводному или кабельному каналу. Параллельные шины все еще используются в некоторых приложениях. Но с учетом высокой скорости передачи данных, которая так распространена сегодня, последовательные серверы являются первым практическим выбором для стабильной связи на любом расстоянии, превышающем несколько километров.
Последовательные интерфейсы могут использоваться для обеспечения стандартизированного уровня логики от передатчика к приемнику, определения среды передачи и разъемов, а также для определения синхронизации и скорости передачи данных. В некоторых случаях они могут выполнять последовательно-параллельные и параллельно-последовательные преобразования или определять основные протоколы передачи данных.
Определение логических уровней, носителей и разъемов является частью физического уровня (PHY) или уровня 1 сетевой модели Open Systems Interconnection (OSI). Любые другие функции, такие как обработка данных, относятся к уровню управления доступом к среде (MAC) или уровню 2 модели OSI.
Последовательный порт RS232
Один из старейших последовательных интерфейсов часто называют RS232. Изначально он был создан в 1962 году как способ подключения терминального оборудования данных (DTE), например электромеханических телетайпов, к оборудованию передачи данных (DCE). С годами он стал использоваться в видеотерминалах, компьютерах и модемах. Первые персональные компьютеры включали RS232, называемый последовательным портом, для подключения принтеров и других периферийных устройств. Сегодня он по-прежнему широко используется во встраиваемых системах разработки компьютеров, научных приборах и различном промышленном оборудовании управления.
Официальное название стандарта - Electronic Industries Association/Telecommunications Industry Association EIA/TIA-232-F. Буква F обозначает последние модификации и обновления стандарта. По сути, этот стандарт аналогичен спецификациям V.24 и V.28 Международного союза электросвязи (ITU-T).
Стандарт определяет логическую 1 как напряжение между -3 и -25 В, а логический 0 - как уровень напряжения между 3 и 25 В (рис. 1). Уровни сигналов часто называют отметками логической 1 и интервалами логического 0. Напряжения в диапазоне ±3 В неэффективны, что дает интерфейсу огромный запас по шуму. Шумовые напряжения в этом диапазоне отбрасываются. В обычной практике уровни логических 0 и 1 обычно составляют до ±5 В и до ±12 или ±15 В. Передатчик и приемник сконфигурированы как однополярные (не дифференциальные) с опорной землей.
1. Уровни напряжения определяют логическую 1 или знак и логический 0 или пробел. Напряжения в диапазоне ±3 В недопустимы.
В качестве среды передачи данных могут использоваться простые параллельные провода или витые пары. Длина кабеля зависит от скорости передачи данных и, как правило, не должна превышать 50 футов. Однако при более низких скоростях передачи данных можно использовать кабели большей длины. Основная цель сегодня - использовать кабели с емкостью между проводами не более 2500 пФ. Это ограничивает верхнюю скорость передачи данных примерно 20 кбит/с. Из-за низкой скорости передачи данных, используемой в этом интерфейсе, кабель обычно не рассматривается как официальная линия передачи. Линии передачи требуют согласования импеданса генератора и импеданса нагрузки для устранения отражений, вызывающих искажение данных.
Стандарт определяет 25-контактный разъем DB-25, который предназначен для передачи различных линий управления, а также линий передачи и приема последовательных данных. Сегодня этот разъем используется редко. Вместо него был определен 9-контактный разъем DE-9, который сегодня стал стандартом де-факто (Рисунок 2).
2. Популярный разъем DB9 передает сигналы, показанные на рисунке. Эти цифры - номера контактов на разъеме.
Изначально электромеханические устройства имели очень низкую скорость передачи данных. Самая низкая скорость обычно составляет 75 бит/с, но чаще встречаются скорости 150 и 300 бит/с. Сегодня скорость передачи данных определяется протоколом, используемым интерфейсом, и может составлять до 115,2 кбит/с. Типичные скорости передачи данных составляют 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400 и 115 200 бит/с. Скорость передачи данных ограничена максимально допустимой скоростью нарастания 30 В/мкс (вольт в микросекунду). Для коротких кабелей малой емкости с соответствующими драйверами скорость передачи данных может достигать нескольких мегабит в секунду.
Многие соединения RS-232 являются односторонними или симплексными. Однако при использовании специальных сигналов и управляющих напряжений возможна двунаправленная или полудуплексная работа. Два подключенных устройства чередуют операции отправки и приема.
Управляющие сигналы в интерфейсе определяют протокол отправки и приема данных. Эти сигналы сообщают двум взаимодействующим устройствам, когда они заняты, передают, готовы и принимают данные. Отправляющее устройство - это DTE (например, компьютер), а принимающее устройство - DCE (например, принтер). На обычном девятиконтактном разъеме используются следующие управляющие сигналы:
Обнаружение несущей данных (DCD): DCE информирует DTE о том, что он получает действительный входной сигнал.
Готовность к приему данных (Data Set Ready, DSR): DCE информирует DTE о том, что он подключен и готов к приему.
Полученные данные (RD): Это фактический сигнал, полученный от DTE.
Запрос на отправку (RTS): Этот сигнал от DTE сообщает DCE о готовности к отправке.
Передача данных (TD): Это сигнал, посылаемый DTE.
Clear to Send (CTS): Эта линия на DCE сообщает DTE, что он готов к приему данных.
Готовность терминала данных (DTR): Эта линия идет от DTE к DCE и указывает на готовность к отправке или приему данных.
Индикатор звонка (RI): эта линия использовалась в старых модемных соединениях, но больше не используется.
Сигнальная земля: Это общая земля для всех сигналов.
На рисунке 3 показаны кабели от DTE к DCE. Обратите внимание на взаимосвязи между контактами линии управления. Сигналы на этих контактах отвечают друг другу в процессе, называемом управлением потоком или "квитированием".
3. Это общее соединение между оборудованием DTE и DCE. Обратите внимание на подключение кабеля от одного разъема к другому.
Хотя официально этот стандарт не является частью стандарта RS-232, большинство последовательных устройств, использующих этот интерфейс, также используют так называемый универсальный асинхронный приемник-передатчик (UART). Эта микросхема, обычно отдельная от схемы линейного драйвера и приемника, реализует базовый протокол связи, передающий до 8 бит за раз. Она выполняет последовательное преобразование в параллельное и параллельное в последовательное, добавляет стартовый и стоповый биты для обозначения начала и конца слова данных, определяет ошибки бита четности и устанавливает скорость передачи данных.
Обычно данные представляют собой символы ASCII, но можно передавать любое слово данных длиной до 8 бит (рис. 4). UART, как правило, могут быть настроены на работу с различными длинами слов (от 5 до 8 бит), добавлять 1, 1,5 или 2 стоповых бита, а также включать нечетные, четные или отсутствующие биты четности. Скорость передачи данных может составлять от 75 бит/с до 115,2 кбит/с.
RS-485
Этот интерфейс, также определенный стандартом EIA/TIA, теперь называется TIA-485. Он определяет не только единый интерфейс между устройствами, но и коммуникационную шину, которая может использоваться для создания простой сети из нескольких устройств. Его конфигурация и спецификации также расширяют диапазон и скорость передачи данных за пределы возможностей интерфейса RS-232.
Стандарт RS-485 предусматривает дифференциальную сигнализацию по двум линиям, а не одностороннюю с опорным напряжением на землю. Уровень логической 1 больше -200 мВ, а уровень логического 0 больше 200 мВ. Типичные уровни линейного напряжения от драйверов линий варьируются от минимального ±1,5 В до максимального примерно ±6 В. Входная чувствительность приемника составляет ±200 мВ. Шумы в диапазоне ±200 мВ практически блокируются. Дифференциальный формат обеспечивает эффективное подавление синфазного шума.
Стандартная среда передачи - одножильный кабель витая пара #22 или #24 AWG. Минимум две линии, но может использоваться третья контрольная линия. Если требуется полнодуплексная работа, можно использовать и четырехпроводной кабель. Кабели могут быть экранированными или неэкранированными, причем неэкранированные являются наиболее распространенными. Кабели считаются линиями передачи. Номинальный характеристический импеданс составляет 100 или 120 Ом. Оконечные резисторы нагрузки необходимы для обеспечения согласованных условий линии, чтобы предотвратить отражения, вносящие ошибки в данные.
Стандарт не определяет конкретный разъем. Использовались различные способы подключения, включая разъемы RS-232 DE-9. В некоторых типах промышленного оборудования управления распространены простые винтовые клеммные соединения.
Длина кабеля определяет более высокую скорость передачи данных. Но из-за более низких уровней логического напряжения и дифференциальных соединений скорость передачи данных может превышать 10 Мбит/с в зависимости от длины кабеля. Максимальная длина кабеля обычно определяется как 1200 метров или около 4000 футов. Типичная максимальная скорость передачи данных на расстоянии 4000 футов составляет 100 кбит/с. Общее правило гласит, что произведение длины линии в метрах и скорости передачи данных в битах в секунду не должно превышать 10 8 . Например, 20-метровый кабель обеспечивает максимальную скорость передачи данных 5 Мбит/с.
Интерфейс RS-485 может использоваться в полудуплексном симплексном режиме по одной паре кабелей. Для полнодуплексного режима или одновременной передачи и приема можно использовать две пары кабелей. Распространенной конфигурацией является шинная сеть с несколькими ветвями или соединениями. Стандарт предусматривает максимум 32 драйвера (передатчика) и 32 приемника (Рисунок 5). Когда передача не ведется, драйвер линии отключен от линии. Все приемники полностью подключены, а шина оконечена согласующими резисторами.
5. Это изображение типичной дифференциальной шины TIA-485, на котором показаны отдельные драйверы (D) и приемники (R), а также приемопередатчики. Обратите внимание на концы согласующих резисторов шины.
Стандарт пока не определяет конкретный протокол связи. Иногда используется стандартный протокол UART. Большинство приложений определяют уникальные протоколы.
Изменения в интерфейсе
На практике иногда встречаются несколько вариаций этих двух стандартов. RS-422 - это разновидность RS-485 с аналогичными характеристиками, но рассчитанная на использование только одного драйвера и до 10 приемников. Логические уровни варьируются от ±2 до ±6 В. RS-423 - это односторонняя, а не дифференциальная версия RS-422. Остальные характеристики аналогичны интерфейсу RS-485.
Области применения
В настоящее время стандарт TIA-232 используется в различных приложениях с низкой скоростью передачи данных на короткие расстояния. Он особенно эффективен в оборудовании, используемом в шумных средах, таких как заводы, предприятия по управлению технологическими процессами и коммунальные службы. Длина кабеля обычно не превышает 50 футов. К распространенным устройствам относятся низкоскоростные модемы, промышленное оборудование управления, такое как программируемые логические контроллеры (ПЛК), станки с числовым программным управлением (ЧПУ), роботы, встраиваемые управляющие компьютеры, медицинские приборы и оборудование, а также встраиваемые системы разработки контроллеров.
Интерфейс TIA-485 также широко используется в промышленных приложениях, требующих более высоких скоростей и больших расстояний. Он используется для устройств того же типа, что и устройства, определяемые интерфейсом RS-232, а также для таких устройств, как терминалы точек продаж (POS), измерительные приборы и крупные специализированные автоматизированные машины. Сети, определяемые полевыми шинами, такими как Profibus и Modbus, также используют его.
Большинство новых устройств используют популярный интерфейс USB. Однако часто бывает необходимо или желательно преобразовать один интерфейс в другой, чтобы устройства разных типов или возрастов могли использоваться вместе. Существуют различные конвертеры для преобразования USB в TIA-232 или TIA -485, TIA-232 в TIA 485 и наоборот.
резюме
Как правило, RS232 лучше всего подходит для передачи данных на короткие расстояния и с низкой скоростью. Он прост и недорог, а интерфейс может быть построен с использованием многих компонентов, таких как драйверы и приемники линий, UART и разъемы. Некоторые драйверы позволяют передавать данные со скоростью до 2 или 3 Мбит/с по коротким линиям. Большинство интерфейсных микросхем содержат DC-DC-преобразователь с зарядовым насосом, который обеспечивает положительное и отрицательное напряжение питания, позволяя ИС работать от одного источника 3,3 или 5 В.
RS485 обеспечивает более высокую скорость на больших расстояниях или если требуются дуплексные сетевые возможности. Кроме того, для создания интерфейсов доступно множество стандартных компонентов. Драйвер и приемник ИС могут выдерживать более 32 прерываний, а скорость передачи данных может достигать 40 Мбит/с. Некоторые ИС также включают преобразователи постоянного тока, которые обеспечивают двойное напряжение питания.
Ключевые слова: RS485 к 4G