Последовательные интерфейсы. Общие сведения.

При организации связи широко используется последовательная передача информации. Параллельные интерфейсы проще, предъявляют меньшие требования к синхронизации, чем последовательные. Последовательные интерфейсы более универсальны, используют одну линию. В последовательном интерфейсе разряды данных передаются потоком последовательно во времени, бит за битом, по одной информационной линии. Для передачи разных типов сигналов (данные, адреса, сигналы управления) часто используют разные линии (число линий не зависит от разрядности передаваемой информации). Использование малого числа линий исключает влияние переходных помех. Но для передачи информации требуется больше времени. меньшее число линий связи особенно существенно при относительно больших расстояниях связи (уже десятки- сотни метров, когда стоимость кабеля и набора линейных формирователей и ретрансляторов превышает стоимость параллельно- последовательного адаптера). Интерфейсы последовательного типа применяются для соединений большой протяженности при передаче данных с относительно малой скоростью.

Ряд вариантов стандартизирован - RS-232C, RS-422A, RS-423A, RS-485. Стандарт 488 определяет организацию измерительного интерфейса, используется в измерительной аппаратуре.

Интерфейсы, использующие однопроводный способ передачи (RS-232C, RS-423A) характеризуются простотой, но низкими значениями скорости передачи, низкой помехозащищенностью, ограниченной длиной линий связи. Наиболее простой интерфейс RS-232C первоначально был разработан для сопряжения оконечного оборудования с модемом. Сейчас RS-232C используется в качестве стандартного для сопряжения с ПЭВМ типа IBM (СОМ- порт). Интерфейсы с двухпроводными линиями связи (RS-422A, RS-485) требуют использования приемников с дифференциальными входами и парафазных выходов у передатчиков информации. На фоне парафазного информационного сигнала все помехи, носящие синфазный характер, не влияют на верность передаваемой информации, т.к. взаимно вычитаются на дифференциальных входах приемников. Двухпроводные линии связи обладают большей помехоустойчивостью при более высокой скорости передачи.

Стандарт сигналов RS232

Максимальный нормируемый допустимый уровень сигнала на входе приемника ±25 В, максимальный допустимый уровень тока в линии ± 500 мА, входное сопротивление приемника - от 3 до 7 кОм.

Для обеспечения правильности обмена информацией выполняется операция квитирования установления связи. Она не производится только в тех случаях, когда скорость передачи настолько мала, что практически невозможна ситуация, когда приемник не будет успевать принимать данные.

Квитирование - процедура обмена сигналами для осуществления связи, проводимой только при определенных условиях. Обычная процедура квитирования заключается в следующем:

Для информирования приемника о наличии данных передатчик посылает сигнал "ЗАПРОС ПЕРЕДАТЧИКА" (RTS). Этот сигнал либо прерывает текущую операцию приемника, либо приемник в процессе циклического опроса фиксирует поступление сигнала RTS, заканчивает текущую операцию и отвечает передатчику сигналом "СБРОС ПЕРЕДАТЧИКА" (CTS). Передатчик не передает данных пока не получит сигнал CTS. В более сложных процедурах используются дополнительные сигналы квитирования. Каналы однонаправленной передачи данных используют меньшее число сигналов квитирования, чем двунаправленные каналы.

Пример схемы квитирования (в качестве устройства передачи данных (УПД) используется модем).

Для других устройств передачи данных (принтер, устройство бесперебойного питания) могут быть установлены собственные определения управляющих линий интерфейса.

Интерфейсы RS-422 и RS-485

Интерфейсы EIA-RS-422 (ITU-T V.11, X.27) и EIA-RS-485 (ISO 8482) использует симметричную передачу сигнала и допускают как двухточечную, так и шинную топологию соединений. В них информативной является разность потенциалов между проводниками А и 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.

При необходимости увеличения числа узлов возможно увеличение входного сопротивления приемников, но при этом снижается допустимая скорость передачи или максимальная длина. Максимальная скорость передачи на коротких расстояниях (до 10 м) ограничивается быстродействием передатчиков (достижима частота 25 МГц). На средних расстояниях ограничение определяется емкостью кабеля (1200 бод - 25 нФ, 9600 бод - 30 нФ, 115 кбод -250 пФ). Максимальная дальность (1200 м) ограничена сопротивлением петли постоянному току.

Интерфейс RS-485 может быть в двух версиях: двухпроводной и четырехпроводной. В двухпроводной версии (рис., 6) все узлы равноправны. Четырехпроводная версия (рис., в) 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 вырожденном случае – при двухточечном соединении – RS-485 эквивалентен RS-422 и третье состояние не используется.

а)	б)	в)
Рис. –Топология интерфейсов: а – RS-422, б – RS-485 4хпроводный, в – RS-485 двухпроводный

Для определенности состояния шины RS-485, когда не активен ни один передатчик, 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.).

Рис. – Соединение "схемных земель" для интерфейсов RS-422 и RS-485.

 

Интерфейс RS-485 популярен в качестве шин устройств промышленной автоматики. В шине PROFIBUS, построенной на его основе, допускается подключение к одному сегменту до 32 узлов (приемопередатчиков). Допустимая длина сегмента зависит от типа кабеля и скорости передачи. Допустимая длина для STP-A (проводники 0,64 мм, импеданс 135-165 Ом, емкость < 30 пФ/м, сопротивление петли 11О Ом/км) приведена в табл. Активные терминаторы устанавливаются на обоих концах, Т-образные ответвления при скорости более 1,5 Мбит/с недопустимы.

Последовательная шина I²C. Приборная двунаправленная двухпроводная асинхронная шина I²C (InterIntegratedCircuit - между интегральными схемами) разработана для соединения функциональных узлов внутри одного прибора без гальванической развязки. Является усовершенствованием шины С, одной из первых разработок интерфейсов фирмы Philips (шина С состояла из трех сигнальных линий для передачи сигналов в уровнях ТТЛ). шина I²C обеспечивает обмен каждого с каждым, с автоматической синхронизацией и выравниваем скоростей обмена по самому медленному устройству, участвующему в обмене. Интерфейс I²C используется в ПК как внутренняя вспомогательная шина. Для реализации шины требуется всего два провода:линия синхронизации –SCL, линия данных –SDA.

Активный уровень сигнала - низкий. Все устройства образуют на линиях схему "монтажного И". Необходимый электрический режим обеспечивается подключением линий через резисторы к цепи питания +5 В и использованием источников сигнала с "тремя состояниями". Возможно использование ТТЛ, КМОП, или n-МОП ИС. Допускается суммарная емкость нагрузки линий до 400 пФ при их длине до 2 м (шина I²C предназначена для передачи информации внутри одного устройства).

Электрическое подключение абонентов к шине I²C. Каждое из устройств подключенное к шине I²Cм.б. запрограммировано для режима работы Master- ведущий или Slave- ведомый. для управления адаптером шины I²C служит статусный регистр. Пока флаг SI этого регистра находится в состоянии "1", все устройства на шине блокированы, т.к. Master-устройство поддерживает на шине SCL логич "0". В это время Master-устройствоможет быть занято обработкой инфы и подготовкой ее для передачи. Затем флаг SI сбрасывается и запускается в действие операция обмена инфой.

Адресация и передача данных. Каждое сообщ, передаваемое по шине I²C, нач-ся с заголовка. Заголовок содержит 7- битный адрес ведомого устройства, бит вида операции "чтение/запись", бит подтверждения.

Формат заголовка

Все абоненты на шине I²C, обнаружив стартовый бит, читают адрес, и активизируются, если он совпадает с их адресом. Сигналом активизации является бит АСК. адрес, равный "0", означает обращение ко всем устройствам сразу. Прием и передача данных производится побайтно и подтверждается битом АСК, вырабатываемым приемником данных. После пересылки данных устанавливается флаг прерывания SI в статусном регистре контроллера шины передатчика.

Временные диаграммы шины I²C. В исх состоянии линии шины нах-ся в неактивном состоянии логич "1". Сигналом начала передачи (признаком "старт") явл появление логич "0" на линии данных SDA при условии сохранения "1" на линии синхронизации SCL. Прием данных происх при переходе сигнала в линии синхро-низации 0®1. Изменения данных можно производить только при уровне "0" в линии синхронизации. Во время такта 9ого бита передатчик выдает на линию данных "1", а от приемника на эту же линию поступает бит - квитанция с уровнем логического "0". Передача заканчивается, когда в обеих линиях устанавливаются уровни "1". Максимальная тактовая частота 100 кГц, при этом скорость потока данных ~ 10 Кбайт/сек.

Временные диаграммы шины I²C (слева). Взаимосинхронизация на шине I² C (справа)

Выравнивание длительности общего сигнала SCL по самому медленному устройству (самосинхронизация) возможно благодаря применению схем-передатчиков с тремя логическими состояниями.