Интерфейсы, применяемые в микропроцессорных системах и микроконтроллерах.

RS232

(Проектирование устройств сопряжения для персональных ЭВМ)

В 1969 г. Группой ведущих промышленных корпораций США был введен стандарт на соединение оборудования. Ассоциация электронной промышленности США (EIA) опубликовала вариант С своего рекомендуемого стандарта (Recommended Standart - RS) номер 232. Этот стандарт был озаглавлен "Интерфейс между оконечным оборудованием обработки данных и оконечным оборудованием линии с использованием последовательного обмена данными в двоичной форме" и известен просто как стандарт RS-232C. МККТТ (CCITT - англ. International Consultative Committee for Telegraphy and Telephony — подразделение Международного Телекоммуникационного Союза (ITU) ООН.) ввел свой собственный вариант этого стандарта в виде стандартов V.24 и V.28.

Министерство обороны США выпустило практически идентичный стандарт Mil-Std-188C. В СССР подобный стандарт описан в ГОСТ 18145-81.

Самой последней (июль 1991 г.) модификацией стандарта RS-232 является стандарт EIA/TIA-232E. В модификации Е нет никаких технических изменений, которые могли бы привести к проблемам совместимости с оборудованием, согласованным с предыдущими вариантами этого стандарта. В настоящее время последовательный интерфейс широко используется в персональных ЭВМ.

RS232C предназначен для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств (принтер, сканер, модем, мышь и т.д.), а так же для связи компьютеров между собой. Данные по интерфейсу RS232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми байтами. Данные могут предаваться как в одну, так и в другую сторону. Для связи по интерфейсу можно использовать 10-проводной кабель. Но наиболее часто используются трех и четырех проводные схемы.

Рассмотрим назначение сигналов интерфейса RS232.

 

 

Таблица___

Цепь	Номер контакта	Вход/выход	Назначение
FG	-	-	Защитное заземление
- TxD		Выход	Данные передаваемые микро ЭВМ внешнему устройству (знак «-» говорит, что вход инверсный)
- RxD		Вход	Данные принимаемые компьютером
RTS		Выход	Сигнал запроса передачи. Активен во время передачи
CTS		Вход	Сигнал сброса или очистки для передачи. Активен во время передачи. Говорит о готовности приемника
DSR		Вход	Готовность данных. Используется для задания режима модема
SG		-	Сигнальное заземление или нулевой провод
DCD		Вход	Обнаружение несущих данных (детектирование принимаемого сигнала)
DTR		Выход	Готовность выходных данных (несущая данных)
RI		Вход	Индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по телефонной сети

 

Рассмотрим формат передаваемых данных по интерфейсу RS232.

Рисунок__ Формат передачи по интерфейсу RS-232 (1.отсутствие передачи;

 

2. стартовый бит; 3. передаваемые данные, может быть 5,6,7,8 бит; 4. контроль четности; 5. 1,1,5,2 стоповых бита)

 

Данные сопровождаются стартовым битом, битом четности и одним или двумя стоповыми битами. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определенные интервалы времени. Очень важно чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковы (допустимое отклонение 10%). Скорость передачи по RS232 выбирается из ряда:

Бит/с.

Все сигналы RS232 передаются специально выбранными уровнями, обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи. Данные передаются в инверсном коде, т.е. высокий уровень соответствует логическому нулю, а низкий уровень соответствует логической единице. Эти уровни отличаются для передатчика и приемника.

Рисунок__ Логические уровни для передатчика(слева) и приемника (справа)

Наиболее часто для подключения произвольного внешнего устройства к компьютеру через RS232C используется трех или четырех-проводная линия связи (известная как нольмодем).

Рисунок __. Четырехпроводная линия связи

Обмен по RS232 осуществляется с помощью обращения по специально выделенным для этого портам:

COM1 по адресам 3F8-3FF использует прерывание №4

COM2 по адресам 2F8-2FF использует прерывание №3

COM3 по адресам 3E8-3EF использует прерывание №10

COM4 по адресам 3E8-3EF использует прерывание №

Обращение по этим адресам вызывает изменение работы контроллера RS232. Можно задавать частоту передачи, число передаваемых бит, контроль передачи на четность. Рассмотрим формат управляющих слов интерфейса.

 

Порт 3F8.

При нулевом значении управляющего бита этот порт служит для записи в него передаваемого байта данных и чтения из него принимаемого байта. При единичном значении управляющего бита этот порт используется для записи в него младшего байта кода делителя частоты тактового генератора, определяющего скорость передачи и приема. Связь этого кода и скорости передачи следующая:

Код	Скорость бит/с
00С0
000С

 

Порт 3F9.

При значении управляющего бита, равном единице, этот порт используется для записи старшего байта кода делителя частоты. При нулевом значении управляющего бита этот порт используется для управления прерываниями. При этом он имеет следующий формат:

 

№ бита	назначение
	1- разрешается прерывания по окончании приема данных 0- запрещение прерывания
	1- разрешение прерывания по окончании передачи данных 0- запрещение прерывания
	1- разрешение прерывания при обнаружении сбоя на линии 0- запрещение прерывания
	1- разрешение прерывания по изменению входных управляющих сигналов RS232C 0- запрещение прерывания
4,5,6,7	Не используются

 

 

Порт 3FА.

Этот регистр идентификации прерывания. Используется только для чтения. Его содержимое указывает на причину прерывания. Формат регистра следующий:

 

№ бита	назначение
	1- нет прерываний, требующих обслуживания 0- есть прерывания
1,2	00- переполнение приемника, ошибка четности или формата данных при приеме, сброс - по чтению из 3FD; 01- данные переданы, сброс – по записи в 3F8; 10- данные приняты и доступны для чтения, сброс – по чтению из 3F8; 11- изменение состояния входных управляющих сигналов RS232C, сброс – по чтению из 3FE
3…7	Не используется

 

Порт 3FВ.

Если управляющий регистр, доступный по чтению и записи. Его формат следующий:

 

№ бита	назначение
0, 1	Количество бит передаваемых данных: 00-5 бит, 10- 6 бит, 01- 7 бит, 11- 8 бит
	Количество стоповых битов: 0-1 бит, 1- 2 бита
3, 4	Контроль четности: 0Х- контроль четности не используется, 10- контроль на нечетность, 11- контроль на четность
	Задание контрольного бита: 1- контрольный бит всегда равен 0(если выбран контроль на четность) или всегда равен 1(если выбран контроль на нечетность)
	1- постоянная передача нуля 0- нормальная передача символов
	Управляющий бит для выбора назначения портов 3F8 и 3F9

 

Порт 3FС.

Данный порт используется для управления модемом. Управляет состоянием управляющих линий интерфейса RS232С. Применяется довольно редко. Его формат следующий:

 

№ бита	назначение
	Состояние линии DTR
	Состояние линии RTS
	Состояние выходного сигнала УАПП OUT1
	Состояние выходного сигнала УАПП OUT2
	Режим работы УАПП: 0- рабочий, 1- диагностический
5, 6, 7	Не используется

Порт 3FD.

Этот регистр состояния линии. Его формат следующий:

 

№ бита	назначение
	1- данные получены и готовы для чтения, флаг сбрасывается при чтении данных
	1- ошибка переполнения при приеме (принят новый байт раньше, чем прочитан предыдущий, предыдущий байт теряется)
	1- ошибка четности при приеме
	1- ошибка синхронизации (не принята стоповая посылка)
	1- обнаружен запрос на прерывание передачи (постоянная передача нуля)
	1- буферный регистр передачи пуст можно записывать следующий передаваемый байт
	1- регистр сдвига передатчика пуст, передача закончена
	1- тайм-аут

Порт 3FЕ.

Этот регистр состояния модема. Используется редко. Его формат следующий:

 

№ бита	Назначение
	Линия CTS изменила состояние после предыдущего чтения из регистра состояния модема
	Линия DSR изменила состояние
	Линия RI изменила состояние
	Линия DCD изменила состояние
	Состояние линии CTS
	Состояние линии DSR
	Состояние линии RI
	Состояние линии DCD

 

Для передачи данных необходимо записать их по адресу 3F8 (предварительно надо убедиться, что буферный регистр передатчика пуст). Принятые данные читаются из адреса 3F8 (предварительно надо убедиться, что данные приняты). Для обеспечения обмена необходимо инициализировать COM -порт; для этого необходимо:

 

· записать по адресу 3F8 управляющий байт с единицей в 7 бите

· записать код делителя частоты по адресам 3F8 и 3F9

· записать по адресу 3FB управляющий байт с нулем в 7 бите и с требуемыми значениями остальных битов

· записать управляющий байт по адресу 3F9

· записать управляющий байт по адресу 3FC.

RS485, RS422

http://mayak-bit.narod.ru/rs485.html

RS-485 для чайников

(c) 2003 Евгений Александрович Бень

Стандарт RS-485 был совместно разработан двумя ассоциациями производителей: Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Associastion). EIA некогда маркировала все свои стандарты префиксом " RS " (Рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил " RS " на " EIA/TIA " с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов. На сегодняшний день, различные расширения стандарта RS-485 охватывают широкое разнообразие приложений.

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.

 

Рисунок ___ Организация передачи по интерфейсам RS422 и RS485.

 

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель - дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

Аппаратная реализация интерфейса - микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера). Существуют два варианта такого интерфейса: RS-422 и RS-485.

RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.

RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в режиме приема.

 

 

Рисунок __ Микросхемы интерфейсов RS485 и RS 232

 

D (driver) - передатчик;

R (receiver) - приёмник;

DI (driver input) - цифровой вход передатчика;

RO (receiver output) - цифровой выход приемника;

DE (driver enable) - разрешение работы передатчика;

RE (receiver enable) - разрешение работы приемника;

A - прямой дифференциальный вход/выход;

B - инверсный дифференциальный вход/выход;

Y - прямой дифференциальный выход (RS-422);

Z - инверсный дифференциальный выход (RS-422).

 

Рассмотрим подключение приемопередатчика RS-485. Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART (RX). Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика UART (TX). Поскольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик соединены, то во время приема нужно отключать передатчик, а во время передачи - приемник. Для этого служат управляющие входы - разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Так как вход RE инверсный, то его можно соединить с DE и переключать приемник и передатчик одним сигналом с любого порта контроллера. При уровне "0" - работа на прием, при "1" - на передачу.

 

Рисунок __ Подключение приемопередатчика RS485 к микроконтроллеру с UART

 

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала производители микросхем приемопередатчиков пишут в документации. Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. То есть, когда UAB > +200 мВ - приемник определяет "1", когда UAB < -200 мВ - приемник определяет "0". Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому.

Входное сопротивление приемника со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 КОм. Так как мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии. Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить к линии значительно больше 32 устройств.

Стандарты RS-485 и RS-422 имеют много общего, и поэтому их часто путают. Таблица 1 сравнивает их. RS-485, определяющий двунаправленную полудуплексную передачу данных, является единственным стандартом EIA/TIA, допускающим множественные приемники и драйверы в шинных конфигурациях. EIA/TIA-422, с другой стороны, определяет единственный однонаправленный драйвер с множественными приемниками. Элементы RS - 485 обратно совместимы и взаимозаменяемы со своими двойниками из RS - 422, однако драйверы RS-422 не должны использоваться в системах на основе RS-485, поскольку они не могут отказаться от управления шиной.

 

Таблица 1. Стандарты RS-485 и RS-422

	RS-422	RS-485
Режим работы	Дифференциальный	Дифференциальный
Допустимое число Tx и Rx	1 Tx, 10 Rx	32 Tx, 32 Rx
Максимальная длина кабеля	1200 м	1200 м
Максимальная скорость передачи данных	10 Мбит/с	10 Мбит/с
Минимальный выходной диапазон драйвера	± 2 В	± 1.5 В
Максимальный выходной диапазон драйвера	± 5 В	± 5 В
Максимальный ток короткого замыкания драйвера	150 мА	250 мА
Сопротивление нагрузки Tx	100 Ом	54 Ом
Чувствительность по входу Rx	± 200 мВ	± 200 мВ
Максимальное входное сопротивление Rx	4 кОм	12 кОм
Диапазон напряжений входного сигнала Rx	± 7 В	от -7 В до +12 В
Уровень логической единицы Rx	> 200 мВ	> 200 мВ
Уровень логического нуля Rx	< 200 мВ	< 200 мВ