Аппаратные интерфейсы ПК

         

Родственные интерфейсы и преобразователи уровней


В последовательном интерфейсе далеко не всегда используют двуполярные сиг­налы RS-232C — это неудобно, хотя бы из-за необходимости использования дву-полярного 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-232C, но не всегда это и требуется.

Для взаимного преобразования уровней интерфейса RS-232C 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. Цоко-левка популярных микросхем формирователей сигналов RS-232C 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 (однополяр-ному, двуполярному, низковольтному).


2.2. Родственные интерфейсы и преобразователи уровней                                                  55



Рис. 2.7. Формирователи сигналов RS-232C: а — приемник 1489 (А — вход RS-232,

С ^ управление гистерезисом (ТТЛ), Y — выход ТТЛ); б — передатчик 1488


(А, В — входы ТТЛ, Y — выход RS-232, VDD = +12 В, VEE = -12 В); в — таблица

состояния выходов передатчика (*1 В — логическая единица)

Когда требуется большая помехоустойчивость (дальность и скорость переда­чи), применяют иные электрические варианты последовательных интерфейсов: RS-422A (V.11, Х.27), RS-423A (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-232C и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфаз­ной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS-423A позволяет в ка­кой-то мере исправить ситуацию. Лучшие параметры имеют интерфейсы RS-422A 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.





 

Рис. 2.8. Стандарты последовательных интерфейсов

56

Глава 2. Последовательный интерфейс — СОМ-порт

Интерфейсы EIA-RS-422 (ITU-T V.ll, X.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 UA-UB>0,2 В (А положи-тельнее В) — состояние «выключено» (space), UA-UB<-0,2 В (А отрицатель­нее В) — состояние «включено» (mark). Диапазон |UA-UB|<0,2 В является зоной нечувствительности (гистерезис), защищающей от воздействия помех. На выхо­дах передатчика сигналы UA и UB 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.

Таблица 2.3. Параметры интерфейсов RS-422 и RS-485

Параметр____________________________________ RS-422____________ RS-485_____________

0,2

0,2

-6,8...+6,8

-6,8...+11,8

-7...+7

-7...+12

4

12

10060

60

1 передатчик

32 (передатчиков,

+10 приемников

приемников или

их комбинаций)

1200 (100 кбит/с)

1200 (100 кбит/с)

12(10Мбит/с)

12(10Мбит/с)

На дальнем конце

На обоих концах

от передатчика

<150Ha шинуGND

<250 на шину

с потенциалом

-7...+12 Вили между

проводами А и В

Порог срабатывания, |UA-UB|,В Допустимое напряжение синфазной помехи, В1 Допустимое напряжение на входах, В1 Входное сопротивление приемника, кОм

Минимальное сопротивление нагрузки передатчика, Ом

Максимальное число узлов

Максимальная длина, м Терминаторы, R=100Ом Ток короткого замыкания, мА

1 Напряжение измеряется относительно «схемной земли» узла.

2.2. Родственные интерфейсы и преобразователи уровней

57



     А                                                          б                                                      в

Рис. 2.9. Топология интерфейсов: а — RS-422, б — RS-485 четырехпроводный, в — RS-485 двухпроводный

Интерфейс RS-485 может быть в двух версиях: двухпроводной и четырехпровод-ной.


Четырехпроводная версия (рис. 2.9, б) 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.

58

Глава 2. Последовательный интерфейс — СОМ-порт

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).



 Рис. 2.10. Соединение «схемных земель» для интерфейсов RS-422 и RS-485

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.

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров, но при невысоких скоростях (выше 19 200 бит/с не используют, а на километровых расстояниях допустима скорость до 9600 бит/с и ниже). Допустимое расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала последовательного ин­терфейса (4-проводная линия). В случае двунаправленного обмена применяются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не требуется, применяют одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной ли­нии данных (программный протокол). При надлежащем ПО одной токовой пет­лей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств. При этом каждый приемник «слышит» как сигналы передатчика на противопо­ложной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными пакетами просто как эхо-сигнал.


Для безошибочного при­ема передатчики должны работать поочередно.

Токовая петля позволяет использовать выделенные физические линии без моде­мов, но на малых скоростях. Иногда по токовой петле подключают терминалы с интерфейсом RS-232C, если не хватает штатной длины интерфейса или требует­ся гальваническая развязка. Преобразовать сигналы RS-232C в токовую петлю несложно — на рис. 2.11 приведена простейшая схема преобразователя примени-

2.3. Асинхронный режим передачи

59

тельно к подключению терминала. Для получения двуполярного сигнала, требу­емого для входных сигналов СОМ-порта, применяется питание от интерфейса. Схема может быть усложнена для защиты оптронов от перегрузки и улучшения формы потенциальных сигналов. Допустимая скорость определяется и быстродей­ствием применяемых оптронов (скорость 9600 бит/с достигается практически на любых оптронах).



Рис. 2.11. Преобразование интерфейса RS-232C в «токовую петлю»


Содержание раздела