Связь по последовательному интерфейсу

 

Универсальный внешний последовательный интерфейс – COM-порт (Communication Port - коммуникационный порт) присутствует в ПК, начиная с первых моделей. Этот порт обеспечивает асинхронный обмен по стандарту RS-232C. Интерфейс RS-232C предназначен для подключения аппаратуры, передающие или принимающей данные к оконечной аппаратуре каналов данных. Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. Интерфейс RS-232C описывает несимметричны передатчики и приемники - сигналы передаются относительно общего провода – схемной земли, гальваническая развязка устройств отсутствует – схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной компьютера. Назначение сигналов интерфейса RS-232C приведено в таблице 2.10.

 

Таблица 2.10 – Назначение сигналов интерфейса RS-232C

Сигнал	Назначение
PG	Protected Ground – защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
SG	Signal Ground – сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов
TD	Transmit Data – последовательные данные – выход передатчика
RD	Receive Data – последовательные данные – вход приемника
RTS	Request To Send – выход запроса передачи данных
CTS	Clear To Send – вход разрешения терминалу передавать данные
DSR	Data Set Ready – вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных
DTR	Data Terminal Ready – выход сигнала готовности терминала к обмену данными
DCD	Data Carrier Detected – вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема
RI	Ring Indicator – вход индикатора вызова (звонка)

 

Характерной особенностью интерфейса является применение «не ТТЛ» сигналов – все внешние сигналы порта двухполярные. Логической единице соответствует напряжение в диапазоне от -12 до -3В, логическому нулю – от +3 до +12В, диапазон от -3 до +3В – зона нечувствительности.

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов. На аппаратуре передачи данных принято устанавливать вилки DB25P или более компактный вариант – DB9P. На аппаратуре каналов данных устанавливают розетки DB25S или DB9S. ПК обычно имеет до четырех последовательных портов COM1-COM4, внешние разъемы которых - вилки DB25P или DB9P - выведены на заднюю панель компьютера. Назначение контактов разъемов COM-портов приведено в таблице 2.11.

 

Таблица 2.11 – Разъем стандартного COM-порта

COM-порт	Контакт разъема	Направление I/O
DB25P	DB9P
PG			-
SG			-
TD			O
RD			I
RTS			O
CTS			I
DSR			I
DTR			O
DCD			I
RI			I

 

Для подключения прибора к ПК через последовательный порт требуется применение специальной схемы согласования уровней ТТЛ и интерфейса последовательного порта компьютера RS-232. Существует несколько вариантов реализации таких схем, например, на транзисторах или на триггере Шмидта.

Одна из таких схем представлена на рисунке 2.24. В ней в качестве преобразователя уровня сигналов RS-232 в ТТЛ используется микросхема К170УП2, а в качестве обратного преобразователя RS-232 – ТТЛ – микросхема К170ЛН2.

 

Рисунок 2.24 – Схема согласования уровней сигналов ТТЛ и RS-232, выполненная на основе микросхем К170УП2 и К170ЛН2

 

Но одним из самых простых вариантов согласования уровней сигналов ТТЛ и интерфейса RS-232 является применение специализированных микросхем.

Рассмотрим одну из таких микросхем - MAX232. Эта микросхема получила широкое распространение благодаря тому, что типовая схема включения (рисунок 2.25) ее достаточно проста и правильно собранная схема из исправных деталей работает сразу и не требует наладки. Микросхема имеет ряд аналогов, например DS232A, ADM232A, ST232.

 

C1-C5 – 0,1-10мкФ (одинаковые) Рисунок 2.25 – Типовая схема включения микросхемы MAX232

 

Наиболее перспективным и удобным интерфейсом сейчас является USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина). Шина с использованием промежуточных хабов позволяет соединять устройства, удаленные от ПК на расстояние до 25м. Применение современного интерфейса USB имеет такие преимущества, как удобство и простота подключения, надежность передачи данных с гарантированной скоростью, возможность питания устройства от шины и т. д. Кроме того, многие современные РС (особенно переносные) вообще не имеют разъемов COM и LPT. В связи с этим представляется актуальным создание простого и недорогого устройства, позволяющего использовать USB как интерфейс для подключения аппаратуры радиоуправления.

В соответствии со стандартом шины USB информационные сигналы и питающее напряжение 5В передаются по четырехпроводному кабелю (рисунок 2.26). Для сигнала используется дифференциальный способ передачи по двум проводам D+ и D-. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3В (низкий уровень) или выше 2,8В (высокий уровень).

 

Рисунок 2.26 – Передача данных по шине USB

 

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

- высокая скорость обмена - 12 Мб/с;

- максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5м;

- низкая скорость обмена - 1.5 Мб/с;

- максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 м;

- максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127;

- возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;

- отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов;

- напряжение питания для периферийных устройств - 5В;

- максимальный ток потребления на одно устройство - 500мА.

Несмотря на довольно сложный протокол обмена, интерфейсом USB можно снабдить и периферийные устройства собственной разработки. Для этого выпускается широкий ассортимент микроконтроллеров с портом USB, а также периферийные микросхемы – порты USB, подключаемые к микроконтроллерам параллельной 8/16-битной шиной данных с обычным набором управляющих сигналов (CS#, WR#, RD#). Выпускаются и специализированные преобразователи интерфейсов USB в последовательный и параллельный, не требующие программирования.

 

2.7 Блок преобразования сигналов

 

2.7.1 Преобразование амплитуды сигнала

 

При проектировании различных приборов часто требуется осуществить преобразование амплитуды (мощности) сигнала. Преобразование сигналов уровней ТТЛ и интерфейса последовательного порта компьютера RS-232 были рассмотрены в п.2.6.2.

Преобразование сигналов может происходить как в сторону усиления амплитуды (мощности) сигнала, так и в сторону ослабления сигнала.

В случае усиления сигнала обычно используют операционные усилители. Операционный усилитель (ОУ) - это аналоговая микросхема, выполняющая функцию дифференциального усилителя постоянного тока. Условное обозначение ОУ представлено на рисунке 2.27.

 

V + - неинвертирующий вход; V − - инвертирующий вход; V out - выход; V S+ плюс источника питания; V S− - минус источника питания Рисунок 2.27 – Условное обозначение ОУ

 

ОУ обладает очень высоким коэффициентом усиления (10⁵-10⁶) и поэтому зачастую его применяется в режиме отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь – это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Для питания ОУ применяют обычно двухполярные источники питания ±15 В. На схемах иногда не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления.

Рассмотрим инвертирующую схему включения ОУ (рисунок 2.28). Коэффициент усиления приведенной схемы определяется как К_ус=-R2/R1;

 

Рисунок 2.28 – Инвертирующий усилитель

 

Недостаток схемы инвертирующего усилителя состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, особенно с большим коэффициентом усиления по напряжению, в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рисунке 2.29 – неинвертирующий усилитель. Коэффициент усиления этой схемы определяется как K=U_вых/U_вх=1+R2/R1.

 

Рисунок 2.29 – Неинвертирующий усилитель

 

На рисунке 2.30 изображен повторитель на основе ОУ. Он представляет не что иное, как неивертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора R1 равно бесконечности, а сопротивление резистора – нулю (коэффициент усиления равен 1). Усилитель с единичным коэффициентом усиления иногда называют буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).

 

Рисунок 2.30 – Повторитель

 

ОУ также можно использовать для решения обратной задачи – ослабления сигналов – подобрав соответствующим образом значения сопротивления резисторов.

Задача ослабления сигналов может быть решена с использованием делителя напряжения. Простейший делитель напряжения – это схема, которая для данного напряжения на входе создает на выходе напряжение, которое является некоторой частью входного. Простейший делитель напряжения представлен на рисунке 2.31.

 

Рисунок 2.31 – Делитель напряжения

 

Для делителя напряжения, изображенного на рисунке 2.30 справедливо следующее выражение

U_вых=I·R₂=U_вх·R₂/(R₁+R₂).

Делители напряжения часто используют в схемах чтобы получить заданное напряжение из большего постоянного (или переменного) напряжения. Например, если взять в качестве R2 резистор с регулируемым сопротивлением, то мы получим схему с управляемым выходом, более простым путем можно комбинацию можно получить, если взять один резистор с переменным напряжением или потенциометр (рисунок 2.32).

 

Рисунок 2.32 – Регулируемый делитель напряжения

 

Для ослабления сигналов также можно использовать аттенюатор – устройство, предназначенное для ослабления проходящего через него сигнала в заданное число раз.

Иногда возникает задача изменить полярность напряжения. Для этой цели могут быть использована инвертирующая схема включения операционного усилителя с коэффициентом усиления равным 1. Также изменить полярность напряжения можно с использованием различных микросхем, например ICL7662 (рисунок 2.33).

 

С1 = С2 = 10мкФ Рисунок 2.33 – Преобразователь полярности напряжения с использованием микросхемы ICL7662

 

На практике часто возникает задача получить стабилизированные напряжения в достаточно большом диапазоне - от единиц вольт до нескольких десятков вольт. Выпускаемые отечественной промышленностью интегральные стабилизаторы напряжения серии КР142 позволяют простыми схемными методами решить эту задачу.

Некоторые микросхемы серии КР142, наиболее часто используемые на практике, приведены в таблице 2.12

 

 

Таблица 2.12 – Микросхемы серии КР142

Наименование микросхемы	Напряжение стабилизации, В	Рассеиваемая мощность, Вт	Потребляемый ток, мА
КР142ЕН5А	5±0,1
КР142ЕН8А	9±0,15
КР142ЕН8Б	12±0,27
КР142ЕН8В	15±0,36

 

2.7.2 Аналогово-цифровое и цифро-аналоговое преобразование

 

В микропроцессорной системе, как правило, контроллер взаимодействует с датчиками и исполнительными механизмами при помощи устройств, преобразующих аналоговые сигналы в цифровые сигналы и обратно. В качестве этих устройств обычно выступают АЦП и ЦАП. При этом АЦП может являться встроенным периферийным устройством МК, а функцию преобразования цифрового сигнала в аналоговый может выполнять встроенный в МК ШИМ.

Цель цифро-аналогового преобразования состоит в том, чтобы преобразовать количество, определенное в виде двоичного числа (двоично-десятичного числа), в напряжение или ток, пропорциональное значению цифрового входа. Микросхемы ЦАП выпускаются в достаточных количествах. Они различаются особенностями эксплуатации, точностью, временем преобразования, стоимостью.

При выборе микросхем ЦАП для конкретного применения следует всегда помнить о некоторых наиболее важных моментах: точность; быстродействие; входная структура; опорный источник (внутренний или внешний); выходная структура; точность установки (требуется ли внешняя подстройка); необходимые напряжения питания и мощность рассеивания.

Различные типы измерительного оборудования используют различные типы АЦП. Например, в цифровом осциллографе используется высокая частота дискретизации, но не требуется высокое разрешение. В цифровых мультиметрах нужно большее разрешение, но можно пожертвовать скоростью измерения. Системы сбора данных общего назначения по скорости дискретизации и разрешающей способности обычно занимают место между осциллографами и цифровыми мультиметрами. В оборудовании такого типа используются АЦП последовательного приближения либо сигма-дельта АЦП. Существуют также параллельные АЦП для приложений, требующих скоростной обработки аналоговых сигналов, и интегрирующие АЦП с высокими разрешением и помехоподавлением.

Большинство высокоскоростных осциллографов и некоторые высокочастотные измерительные приборы используют параллельные АЦП из-за их высокой скорости преобразования, которая может достигать 5×10⁹ отсчетов/сек для стандартных устройств и 20×10⁹ отсчетов/сек для оригинальных разработок. Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разрядов, но встречаются также 10-ти разрядные АЦП.

Параллельные АЦП – достаточно быстрые устройства, но они имеют свои недостатки. Из-за необходимости использовать большое количество компараторов параллельные АЦП потребляют значительную мощность, и их нецелесообразно использовать в приложениях с батарейным питанием.

Когда необходимо разрешение 12, 14 или 16 разрядов и не требуется высокая скорость преобразования, а определяющими факторами являются невысокая цена и низкое энергопотребление, то обычно применяют АЦП последовательного приближения. Этот тип АЦП чаще всего используется в разнообразных измерительных приборах и в системах сбора данных. В настоящий момент АЦП последовательного приближения позволяют измерять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискретизации от 10³ до 10⁶ отсчетов/сек.

Для проведения большинства измерений часто не требуется АЦП со скоростью преобразования, которую дает АЦП последовательного приближения, зато необходима большая разрешающая способность. В таких случаях целесообразным становиться использование интегрирующих АЦП. Обычно АЦП такого типа применяются в разнообразных системах сбора данных и в измерительном оборудовании (измерение давления, температуры, веса и т.п.), когда не требуется высокая частота дискретизации и необходимо разрешение более 16 разрядов.

Существуют также АЦП двухтактного интегрирования. В цифровых мультиметрах, как правило, используются именно такие АЦП, т.к. в этих измерительных приборах необходимо сочетание высокого разрешения и высокого помехоподавления.

АЦП двухтактного интегрирования имеют высокую точность и высокую разрешающую способность, а также имеют сравнительно простую структуру. Это дает возможность выполнять их в виде интегральных микросхем. Основной недостаток таких АЦП - большое время преобразования, обусловленное привязкой периода интегрирования к длительности периода питающей сети.

Существуют общие определения, которые принято использовать в отношении аналого-цифровых преобразователей. Правильный выбор оптимального по сочетанию своих характеристик АЦП для конкретного приложения требует точной интерпретации данных, приводимых в технической документации.

Наиболее часто путаемыми параметрами являются разрешающая способность и точность, хотя эти две характеристики АЦП крайне слабо связаны между собой. Разрешение не идентично точности, 12-разрядный АЦП может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. Для АЦП разрешение представляет собой меру того, на какое количество сегментов может быть поделен входной диапазон измеряемого аналогового сигнала (например, для 8-разрядного АЦП это 2⁸=256 сегментов). Точность же характеризует суммарное отклонение результата преобразования от своего идеального значения для данного входного напряжения. То есть, разрешающая способность характеризует потенциальные возможности АЦП, а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности.

АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в выходной цифровой код. Для реальных преобразователей, изготавливаемых в виде интегральных микросхем, процесс преобразования не является идеальным: на него оказывают влияние как технологический разброс параметров при производстве, так и различные внешние помехи. Поэтому цифровой код на выходе АЦП определяется с погрешностью. В спецификации на АЦП указываются погрешности, которые дает сам преобразователь. Их обычно делят на статические и динамические. При этом именно конечное приложение определяет, какие характеристики АЦП будут считаться определяющими, самыми важными в каждом конкретном случае.

В настоящее время существует большое количество микросхем ЦАП и АЦП, выпускаемые фирмами Analog Devices, Texas Instruments, Linear Technology.