Последовательные интерфейсы: Параллельные и последовательные интерфейсы

5.9 Последовательные интерфейсы » СтудИзба

5.9 Последовательные интерфейсы

Последовательный интерфейс для передачи данных в одну сторону использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Последовательная передача данных может осуществляться в синхронном и асинхронном режимах.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/сек. Количество бит данных может составлять 5,6,7,8 бит. Количество стоп битов может быть 1,1.5,2 бита. Асинхронный в РС реализуется с помощью СОМ-порта с использованием протокола RS-232C.

Из синхронных адаптеров в настоящее время чаще всего применяются адаптеры интерфейса V.35.

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. Стандарт описывает синхронный и асинхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим.

Префикс «RS» -рекомендованный стандарт.

5.9.1 Интерфейс RS-232

Интерфейс RS-232C использует несимметричные приемники и передатчики, сигнал передается относительно общего провода (схемной земли). Интерфейс RS-232C не обеспечивает гальванической развязки устройств. В интерфейсе RS-232С оговариваются следующие электрические параметры.

Выходные сигналы:

—    0 задается диапазоном напряжения со стороны источника (+5 ¸ +15)В;

—    неопределенное состояние – диапазон напряжения (+5 ¸ -5)В;

—    1 задается диапазоном напряжения (-5 ¸ -15)В.

Входные сигналы:

—    0 задается диапазоном напряжения со стороны приемника (+3 ¸ +25)В;

—    неопределенное состояние – диапазон напряжения (+3 ¸ -3)В;

—    1 задается диапазоном напряжения (-3 ¸ -25)В.

Логической единице на входе приемника соответствует уровень напряжения -3 … -12 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называют «ON», а для линий последовательных данных — «MARK». Логическому «0» соответствует напряжение +3 … +12 В (называемое «OFF» или «SPACE», соответственно). Между уровнями +3 … -3 В существует зона нечувствительности, обуславливающая гистерезис приемника. Состояние на выходе приемника изменяется только при пересечении напряжением порога +3 или -3 В.

Разъем и кабель порта RS232.

Стандартный последовательный порт имеет 9- контактный разъем. На рисунке 5.5 приведены назначения контактов этих разъемов. 

Рисунок 5.5 — Блочная часть 9-контактного штыревого разъема

В таблице 5.6 указано назначение контактов разъема последовательного интерфейса.

Таблица 5.6 — Назначение контактов разъемов последовательного порта

Внутреннее аппаратное устройство.

Компьютер, совместимый с IBM PC, может иметь до четырех последовательных портов. Они маркируются как COM1-COM4. Каждый COM-порт формируется отдельным UART 16450 (в нем имеется восемь восьмибитовых регистров), установленным внутри компьютера.

5.9.2 Интерфейсы RS-422A, RS-423A и RS-449

Более новыми стандартами, по сравнению с RS-232, позволяющими обеспечить высокоскоростную работу на больших расстояниях, являются стандарты EIA RS-422A, RS-423A и RS-449. Соответствующими рекомендациями ITU-T для этих стандартов являются V.10 и Х.26 — для RS-423, и V.11 и Х.27 — для RS-422, V.36 для RS-449.

Интерфейс RS-422A.

Стандарт RS-422A определяет электрические характеристики симметричного цифрового интерфейса. Он предусматривает работу на более высоких скоростях (до 10 Мбит/с) и больших расстояниях (до 1000 м) в интерфейсе DTE—DCE. Для его практической реализации, в отличие от RS-232, требуется два физических провода на каждый сигнал. Реализация симметричных цепей обеспечивает наилучшие выходные характеристики.

Стандарт RS-422A был разработан совместно с RS-423A и позволяет размещать линии этих интерфейсов в одном кабеле. Он не совместим с RS-232, и взаимодействие между RS-422A и RS-232 может быть обеспечено только при помощи специального интерфейсного  конвертера.

Таблица  5.8 — Электрические и временные характеристики интерфейса RS-422

Интерфейс RS-423A.

Стандарт RS-423A определяет электрические характеристики несимметричного цифрового интерфейса. «Несимметричность» означает, что данный стандарт подобно RS-232 для каждой линии интерфейса использует только один провод. При этом для всех линий используется единый общий провод. Как и RS-422A, этот стандарт не определяет сигналы, конфигурацию выводов или типы разъемов. Он содержит только описание электрических характеристик интерфейса. Стандарт RS-422A предусматривает максимальную скорость передачи 100 Кбит/с.

Таблица 5.9 — Соотношение скорости передачи и длины кабеля для стандартов

Интерфейс RS-449.

Стандарт RS-449, в отличие от RS-422A и RS-423A, содержит информацию о параметрах сигналов, типах разъемов, расположении контактов и т.п. В этом отношении RS-449 является дополнением к стандартам RS-422A и RS-423A. Стандарту RS-449 соответствует международный стандарт V.36.

Стандарт RS-449 определяет 30 сигналов интерфейса. Большинство этих сигналов имеют эквивалентные в RS-232. Кроме того, добавлен ряд новых сигналов.

Десять сигналов RS-449 определены как линии 1-й категории. Эта группа сигналов включает в себя все основные сигналы данных и синхронизации, такие как «Передаваемые данные», «Принимаемые данные», «Синхронизация терминала». Скорость передачи сигналов 1 -и категории существенно зависит от длины кабеля. Для линий этой категории на скоростях до 20 Кбит/с могут использоваться стандарты RS-422A либо RS-423A; на скоростях выше 20 Кбит/с (до 2Мбит/с) — только RS-422A.

Оставшиеся 20 линий классифицируются как линии 2-й категории и используются стандартом RS-423A. Ко 2-й категории относятся такие управляющие линии, как «Качество сигнала», «Выбор скорости передачи» и др.

Стандарт RS-449 определяет тип разъема и, в отличие RS-232, распределение контактов разъема. Используемые разъемы имеют 37 контактов для прямого канала и 9 контактов для обратного канала.

Интерфейс RS-485.

Протокол связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Стандарт RS-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников

Таблица 5.10 – Характеристики интерфейса RS-485

Характеристики интерфейсов RS-232C, RS-423A, RS-422A, RS-485A сведены в таблицу 5. 12.

Таблица 5.12 — Характеристики интерфейсов

Мультигигабитные последовательные интерфейсы — Control Engineering Russia

Потребность в высокоскоростном последовательном интерфейсе

Потребители постоянно нуждаются в устройствах со все более высокой производительностью, меньшим размером и с еще меньшим энерго­потреблением. В мире Big Data с начала 2000-х гг. происходило радикальное изменение принципа работы шин обмена данными (рис. 1). Этот переход от параллельных шин к высокоскоростным последовательным позволил разработать устройства с гораздо меньшими размерами, более высокой скоростью передачи данных и с меньшими требованиями к питанию. Это дало возможность внедрить много различных технологий, которыми теперь пользуются потребители, – таких как SATA, USB и PCI Express.

Рис. 1. Процесс перехода от параллельных стандартов обмена данными к последовательным

Преимущества

На тактовую частоту параллельных шин существует физическое ограничение, находящееся в промежутке от 1 до 2 ГГц. Причина этому — задержки, возникающие в отдельных линиях тактирования и данных, которые вызывают ошибки передачи на более высоких скоростях. В высокоскоростных последовательных шинах по одной линии происходит передача кодированных пакетов, которые содержат как данные, так и информацию о тактировании, что позволяет инженерам обойти ограничений скорости передачи. Сегодня повсеместно используются высокоскоростные последовательные соединения с передачей данных на скорости 10 Гбит/с. Кроме того, можно соединить параллельно несколько последовательных линий связи для создания канала с еще более высокой пропускной способностью.

Передача данных по последовательному каналу на высокой скорости позволяет уменьшить количество выводов интегральных схем и, как следствие, размеры устройства. Более того, поскольку по сравнению с параллельными шинами последовательные линии связи могут работать с гораздо более высокой тактовой частотой, это дает им возможность достичь лучшей пропускной способности. На рис. 2 приведены широко известные стандарты шин передачи данных с разбивкой по количеству линий передачи и тактовой частоте одной линии.

Рис. 2. Известные стандарты шин передачи данных с разбивкой по количеству линий передачи и тактовой частоте одной линии

Недостатки

Несмотря на то, что меньшее количество выводов упрощает конструкцию изделия, более высокая скорость работы создает проблемы для разработчиков. Поскольку частоты передачи достигают ВЧ-диапазона, для требуемой целостности сигнала должны применяться такие же методы, как при работе с ВЧ-сигналом. Поэтому в высокоскоростных последовательных линиях связи используются такие технологии, как кодирование, предыскажение и частотная коррекция.

Функциональные уровни высокоскоростных последовательных соединений

Для успешной работы последовательного соединения обе его стороны должны работать в рамках определенных условий. Эти условия можно обозначить как функциональные уровни.

Самый нижний уровень — физический. Он отвечает за успешную передачу и распознавание сигналов логического нуля и единицы. Выше него находится канальный уровень (data link), отвечающий за преобразование потока бит в значимые данные и функции, которые позволяют физическому уровню производить успешный обмен информацией. Наконец, уровни выше физического и канального могут предоставлять дополнительные сервисы, такие как коррекция ошибок, пакетная передача или маршрутизация (рис. 3). Они определяются протоколом и сферой применения и, как правило, чаще всего подвергаются модификации или настройке.

Рис. 3. Функциональные уровни последовательного соединения

Физический уровень

Физический уровень отвечает за электрическую совместимость устройств и передачу синхронизированных бит на канальный уровень. В его рамках разработчикам необходимо согласовать электрические параметры передатчиков и приемников.

 Электрический интерфейс

Различные высокоскоростные последовательные протоколы передачи данных накладывают свои ограничения на электрические параметры передатчика и приемника, от которых зависит их совместимость. Для достижения большой скорости нарастания и спадания фронтов в высокоскоростных последовательных линиях связи используются дифференциальные сигналы, что необходимо для связи на скоростях выше 1 Гб/с, минимизации электромагнитного излучения и повышения помехоустойчивости путем нейтрализации синфазных помех. Пиковое напряжение на этих скоростях редко превосходит 1 В, и электрическим стандартом обычно являются низковольтная дифференциальная передача сигналов (LVDS), эмиттерно-связанная логика (ECL) или токовая логика (CML).

 Восстановление данных и сигналов тактирования

Рис. 4. Схема восстановления данных и сигналов тактирования (CDR)

Другой важной функцией физического уровня в высокоскоростных последовательных линиях связи является восстановление данных и сигналов тактирования, или CDR (Clock Data and Recovery). CDR (рис. 4) — это возможность принимающего устройства тактировать входящий поток данных без наличия отдельного сигнала тактирования. Она реализуется с помощью канального уровня при условии частых битовых переходов 0–1 при кодировании. Это позволяет цепям фазовой автоподстройки частоты (PLL) и фазового интерполятора (PI) восстановить сигнал тактирования передатчика и использовать его для обработки входящего потока данных с минимальной ошибкой синхронизации.

 Частотная коррекция

Частотной коррекцией называют процесс противодействия электрическим свойствам канала с целью улучшения его частотной характеристики. Это может производиться на принимающей или передающей стороне канала связи для увеличения его энергетического запаса, но обычно термин «частотная коррекция» используется при описании приемника. При прохождении высокоскоростного сигнала от передатчика к приемнику через цепи печатной платы, коннекторы и кабели происходит его затухание, которое неравномерно затрагивает компоненты его спектра, вызывая искажения. Частотная коррекция в мультигигабитных приемопередатчиках (MGT) позволяет производить усиление или ослабление различных частот в спектре сигнала до его оцифровки для улучшения энергетического запаса сигнала или канала. Многие MGT оснащены автокорректорами, которые могут автоматически определять и постоянно поддерживать настройки схемы корректора близкими к идеальным.

 Предыскажение

«Предыскажение» — это термин, которым обычно называют частотную коррекцию со стороны передатчика высокоскоростной последовательной линии передачи данных. Оно применяется для борьбы с аналоговыми искажениями, такими как межсимвольная интерференция (inter-symbol interference, ISI). На высокой скорости работы линии биты данных начинают влиять друг на друга при передаче.

Ухудшение качества сигнала по причине ISI происходит из-за смещения, которое возникает в линии при недостаточной частоте переключений сигнала с 0 на 1 (рис. 5). Из-за этого следующее переключение на противоположное значение после ряда одинаковых бит происходит медленнее.

Рис. 5. Эффект ISI

Канальный уровень

Канальный уровень (data link layer) отвечает за обработку сигнала с целью улучшения его целостности, обеспечения успешной передачи данных и преобразования набора бит в данные. Методики достижения этого включают в себя схемы кодирования и применение управляющих команд для синхронизации, коррекции тактирования и связывания каналов.

 Схемы кодирования

С помощью кодирования обеспечивается наличие в сигнале частых изменений значения с 0 на 1 для успешного восстановления данных и сигналов тактирования (CDR), а также для поддержания электрического баланса сигнала по постоянной составляющей (DC balance). Для успешного CDR схема кодирования должна гарантировать, что в передаваемом сигнале будет достаточно переходов 0–1 для того, чтобы блок CDR оставался синхронизированным по фазе с потоком данных. Если алгоритм фазовой автоподстройки частоты в блоке CDR не сможет сохранить синхронизацию из-за недостатка переходов 0–1, принимающая сторона не сможет обеспечить синхронное тактирование битов данных и будут происходить потери бит или иные ошибки соединения. CDR осуществляется за счет постоянной передачи символов с частой сменой бит 0–1–0–1…, что достигается добавлением к данным служебных бит.

Электрический баланс сигнала также важен для поддержания работы последовательного канала связи. Если не производить его регулировку, сигнал может сместиться относительно идеальных значений высокого и низкого логического уровня, что вызовет потерю бит. Электрический баланс достигается регулировкой среднего количества передаваемых нулей и единиц, число которых в единицу времени в сбалансированном сигнале одинаково. Несколько общих примеров схем кодирования: 8b/10b, 64b/66b и 128b/130b.

 Связывание каналов

Если скорость работы линии связи и схема кодирования не способны обеспечить необходимую пропускную способность при помощи одного последовательного канала передачи, можно работать с несколькими каналами. К примеру, стандарт HDMI использует три линии последовательной связи для достижения общей пропускной способности. При отправке данных по нескольким каналам из-за задержек передачи пакеты в разных каналах будут прибывать в приемник в разное время. В некоторых областях применения может понадобиться синхронизация данных, полученных по разным каналам приемника. Эта процедура известна как связывание каналов. Каждый из каналов приемника оснащен буфером данных, который используется как для коррекции тактирования сигнала, так и для связывания каналов. Оно изменяет положение указателей считывания в буфере данных каждого канала приема, для того чтобы приемник мог считать синхронизированные данные со всех каналов (рис. 6).

Рис. 6. Положение указателей считывания в буфере данных каждого канала приема до и после связывания каналов

Для связывания каналов применяется специальный зарезервированный контрольный символ или их последовательность. Линия последовательной связи имеет один ведущий канал, а остальные каналы считаются ведомыми. Контрольная последовательность для связывания каналов отправляется передатчиком одновременно по ведущему и всем ведомым каналам. При ее обнаружении приемником ведущего канала в определенном месте буфера данных на все приемники ведомых каналов передается команда на поиск этой последовательности в их буферах и указатели считывания во всех буферах устанавливаются на ее позицию. Поскольку каждый канал приема имеет свое смещение для буфера данных, приемник способен считывать информацию из нужного места в каждом из буферов, получая в результате синхронизированные данные.

 Символы ожидания

Символ ожидания является важным управляющим элементом. Передатчик должен непрерывно передавать сигнал приемнику для того, чтобы блок восстановления тактирования и данных оставался синхронизированным по фазе. Если полезные данные для отправки отсутствуют, необходимо посылать символы ожидания. Это управляющие символы, определяемые протоколом, и приемник не распознает их как значащие данные.

Верхние уровни

Дополнительные верхние уровни находятся над уровнем канала данных и позволяют инженерам настроить канал связи под конкретную задачу. В некоторых протоколах описаны специальные стандарты для функционала верхних уровней, в других они могут быть определены разработчиком. Широко используемый функционал включает поиск и коррекцию ошибок, данные о заголовках для пакетной передачи и даже информацию о статусе соединения.

Уровни выше стандартных (канального и физического) обычно настраиваются под требования конкретной задачи, позволяя инженерам извлечь выгоду из существующей реализации стандартных уровней. Примерами распространенных функций верхнего уровня являются обнаружение и коррекция ошибок при помощи циклического контроля четности с избыточностью — CRC (cyclic redundancy checking) и упреждающей коррекции ошибок, или FEC (forward error correction). Компромиссным решением при передаче данных являются различные комбинации алгоритмов для обнаружения и коррекции ошибок. CRC содержит в себе методику поиска потерянных бит в принятых данных, но с его помощью нельзя исправить найденную ошибку. Единственный способ — запросить данные повторно. При этом FEC содержит в передаваемых данных дополнительную информацию, с помощью которой на принимающей стороне можно исправить небольшое количество ошибок.

Перспективы высокоскоростной последовательной связи

Высокоскоростная последовательная связь является фундаментальным прорывом в принципах работы цифровых интерфейсов, позволяющим существенно увеличить пропускную способность. Меньшие размер и потребляемая мощность, наряду с большей производительностью, ведут к быстрому росту популярности высокоскоростных последовательных интерфейсов. Принципы их работы постоянно совершенствуются, и разработчики предлагают все более высокие скорости передачи данных, что позволяет использовать их в мире Big Data. Примером недавних успехов является переход к многоуровневой передаче сигнала, такой как импульсно-амплитудные модуляции PAM-4 и PAM-8, которые обеспечивают передачу данных на большей скорости при той же полосе пропускания канала. Из-за возрастающих требований к скорости многим инженерам приходится ускорять разработки и тестирование новых интерфейсов.

Компания National Instruments следует тенденциям рынка высокоскоростной последовательной связи, поэтому теперь высокоскоростные последовательные приемопередатчики присутствуют во многих предлагаемых NI решениях для различных задач: от функционального цифрового тестирования до автономных обработчиков и ВЧ-тестирования при помощи векторного трансивера второго поколения (VST). Универсальный мультигигабитный последовательный порт реализован с помощью подключения цифровых линий к открытой ПЛИС для гибкого задания протокола порта, а также предоставления готовых IP-реализаций протоколов Xilinx Aurora, RapidIO, JESD204B, CPRI, 10 Gigabit Ethernet и др. Сегодня такой порт не только доступен в виде отдельного прибора формата PXI Express, но также интегрируется в радиоизмерительные приборы, такие как NI VST, и во встраиваемые измерительные решения, такие как контроллер для NI FlexRIO.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Мультигигабитные последовательные интерфейсы — Control Engineering Russia

Потребность в высокоскоростном последовательном интерфейсе

Потребители постоянно нуждаются в устройствах со все более высокой производительностью, меньшим размером и с еще меньшим энерго­потреблением. В мире Big Data с начала 2000-х гг. происходило радикальное изменение принципа работы шин обмена данными (рис. 1). Этот переход от параллельных шин к высокоскоростным последовательным позволил разработать устройства с гораздо меньшими размерами, более высокой скоростью передачи данных и с меньшими требованиями к питанию. Это дало возможность внедрить много различных технологий, которыми теперь пользуются потребители, – таких как SATA, USB и PCI Express.

Рис. 1. Процесс перехода от параллельных стандартов обмена данными к последовательным

Преимущества

На тактовую частоту параллельных шин существует физическое ограничение, находящееся в промежутке от 1 до 2 ГГц. Причина этому — задержки, возникающие в отдельных линиях тактирования и данных, которые вызывают ошибки передачи на более высоких скоростях. В высокоскоростных последовательных шинах по одной линии происходит передача кодированных пакетов, которые содержат как данные, так и информацию о тактировании, что позволяет инженерам обойти ограничений скорости передачи. Сегодня повсеместно используются высокоскоростные последовательные соединения с передачей данных на скорости 10 Гбит/с. Кроме того, можно соединить параллельно несколько последовательных линий связи для создания канала с еще более высокой пропускной способностью.

Передача данных по последовательному каналу на высокой скорости позволяет уменьшить количество выводов интегральных схем и, как следствие, размеры устройства. Более того, поскольку по сравнению с параллельными шинами последовательные линии связи могут работать с гораздо более высокой тактовой частотой, это дает им возможность достичь лучшей пропускной способности. На рис. 2 приведены широко известные стандарты шин передачи данных с разбивкой по количеству линий передачи и тактовой частоте одной линии.

Рис. 2. Известные стандарты шин передачи данных с разбивкой по количеству линий передачи и тактовой частоте одной линии

Недостатки

Несмотря на то, что меньшее количество выводов упрощает конструкцию изделия, более высокая скорость работы создает проблемы для разработчиков. Поскольку частоты передачи достигают ВЧ-диапазона, для требуемой целостности сигнала должны применяться такие же методы, как при работе с ВЧ-сигналом. Поэтому в высокоскоростных последовательных линиях связи используются такие технологии, как кодирование, предыскажение и частотная коррекция.

Функциональные уровни высокоскоростных последовательных соединений

Для успешной работы последовательного соединения обе его стороны должны работать в рамках определенных условий. Эти условия можно обозначить как функциональные уровни.

Самый нижний уровень — физический. Он отвечает за успешную передачу и распознавание сигналов логического нуля и единицы. Выше него находится канальный уровень (data link), отвечающий за преобразование потока бит в значимые данные и функции, которые позволяют физическому уровню производить успешный обмен информацией. Наконец, уровни выше физического и канального могут предоставлять дополнительные сервисы, такие как коррекция ошибок, пакетная передача или маршрутизация (рис. 3). Они определяются протоколом и сферой применения и, как правило, чаще всего подвергаются модификации или настройке.

Рис. 3. Функциональные уровни последовательного соединения

Физический уровень

Физический уровень отвечает за электрическую совместимость устройств и передачу синхронизированных бит на канальный уровень. В его рамках разработчикам необходимо согласовать электрические параметры передатчиков и приемников.

 Электрический интерфейс

Различные высокоскоростные последовательные протоколы передачи данных накладывают свои ограничения на электрические параметры передатчика и приемника, от которых зависит их совместимость. Для достижения большой скорости нарастания и спадания фронтов в высокоскоростных последовательных линиях связи используются дифференциальные сигналы, что необходимо для связи на скоростях выше 1 Гб/с, минимизации электромагнитного излучения и повышения помехоустойчивости путем нейтрализации синфазных помех. Пиковое напряжение на этих скоростях редко превосходит 1 В, и электрическим стандартом обычно являются низковольтная дифференциальная передача сигналов (LVDS), эмиттерно-связанная логика (ECL) или токовая логика (CML).

 Восстановление данных и сигналов тактирования

Рис. 4. Схема восстановления данных и сигналов тактирования (CDR)

Другой важной функцией физического уровня в высокоскоростных последовательных линиях связи является восстановление данных и сигналов тактирования, или CDR (Clock Data and Recovery). CDR (рис. 4) — это возможность принимающего устройства тактировать входящий поток данных без наличия отдельного сигнала тактирования. Она реализуется с помощью канального уровня при условии частых битовых переходов 0–1 при кодировании. Это позволяет цепям фазовой автоподстройки частоты (PLL) и фазового интерполятора (PI) восстановить сигнал тактирования передатчика и использовать его для обработки входящего потока данных с минимальной ошибкой синхронизации.

 Частотная коррекция

Частотной коррекцией называют процесс противодействия электрическим свойствам канала с целью улучшения его частотной характеристики. Это может производиться на принимающей или передающей стороне канала связи для увеличения его энергетического запаса, но обычно термин «частотная коррекция» используется при описании приемника. При прохождении высокоскоростного сигнала от передатчика к приемнику через цепи печатной платы, коннекторы и кабели происходит его затухание, которое неравномерно затрагивает компоненты его спектра, вызывая искажения. Частотная коррекция в мультигигабитных приемопередатчиках (MGT) позволяет производить усиление или ослабление различных частот в спектре сигнала до его оцифровки для улучшения энергетического запаса сигнала или канала. Многие MGT оснащены автокорректорами, которые могут автоматически определять и постоянно поддерживать настройки схемы корректора близкими к идеальным.

 Предыскажение

«Предыскажение» — это термин, которым обычно называют частотную коррекцию со стороны передатчика высокоскоростной последовательной линии передачи данных. Оно применяется для борьбы с аналоговыми искажениями, такими как межсимвольная интерференция (inter-symbol interference, ISI). На высокой скорости работы линии биты данных начинают влиять друг на друга при передаче.

Ухудшение качества сигнала по причине ISI происходит из-за смещения, которое возникает в линии при недостаточной частоте переключений сигнала с 0 на 1 (рис. 5). Из-за этого следующее переключение на противоположное значение после ряда одинаковых бит происходит медленнее.

Рис. 5. Эффект ISI

Канальный уровень

Канальный уровень (data link layer) отвечает за обработку сигнала с целью улучшения его целостности, обеспечения успешной передачи данных и преобразования набора бит в данные. Методики достижения этого включают в себя схемы кодирования и применение управляющих команд для синхронизации, коррекции тактирования и связывания каналов.

 Схемы кодирования

С помощью кодирования обеспечивается наличие в сигнале частых изменений значения с 0 на 1 для успешного восстановления данных и сигналов тактирования (CDR), а также для поддержания электрического баланса сигнала по постоянной составляющей (DC balance). Для успешного CDR схема кодирования должна гарантировать, что в передаваемом сигнале будет достаточно переходов 0–1 для того, чтобы блок CDR оставался синхронизированным по фазе с потоком данных. Если алгоритм фазовой автоподстройки частоты в блоке CDR не сможет сохранить синхронизацию из-за недостатка переходов 0–1, принимающая сторона не сможет обеспечить синхронное тактирование битов данных и будут происходить потери бит или иные ошибки соединения. CDR осуществляется за счет постоянной передачи символов с частой сменой бит 0–1–0–1…, что достигается добавлением к данным служебных бит.

Электрический баланс сигнала также важен для поддержания работы последовательного канала связи. Если не производить его регулировку, сигнал может сместиться относительно идеальных значений высокого и низкого логического уровня, что вызовет потерю бит. Электрический баланс достигается регулировкой среднего количества передаваемых нулей и единиц, число которых в единицу времени в сбалансированном сигнале одинаково. Несколько общих примеров схем кодирования: 8b/10b, 64b/66b и 128b/130b.

 Связывание каналов

Если скорость работы линии связи и схема кодирования не способны обеспечить необходимую пропускную способность при помощи одного последовательного канала передачи, можно работать с несколькими каналами. К примеру, стандарт HDMI использует три линии последовательной связи для достижения общей пропускной способности. При отправке данных по нескольким каналам из-за задержек передачи пакеты в разных каналах будут прибывать в приемник в разное время. В некоторых областях применения может понадобиться синхронизация данных, полученных по разным каналам приемника. Эта процедура известна как связывание каналов. Каждый из каналов приемника оснащен буфером данных, который используется как для коррекции тактирования сигнала, так и для связывания каналов. Оно изменяет положение указателей считывания в буфере данных каждого канала приема, для того чтобы приемник мог считать синхронизированные данные со всех каналов (рис. 6).

Рис. 6. Положение указателей считывания в буфере данных каждого канала приема до и после связывания каналов

Для связывания каналов применяется специальный зарезервированный контрольный символ или их последовательность. Линия последовательной связи имеет один ведущий канал, а остальные каналы считаются ведомыми. Контрольная последовательность для связывания каналов отправляется передатчиком одновременно по ведущему и всем ведомым каналам. При ее обнаружении приемником ведущего канала в определенном месте буфера данных на все приемники ведомых каналов передается команда на поиск этой последовательности в их буферах и указатели считывания во всех буферах устанавливаются на ее позицию. Поскольку каждый канал приема имеет свое смещение для буфера данных, приемник способен считывать информацию из нужного места в каждом из буферов, получая в результате синхронизированные данные.

 Символы ожидания

Символ ожидания является важным управляющим элементом. Передатчик должен непрерывно передавать сигнал приемнику для того, чтобы блок восстановления тактирования и данных оставался синхронизированным по фазе. Если полезные данные для отправки отсутствуют, необходимо посылать символы ожидания. Это управляющие символы, определяемые протоколом, и приемник не распознает их как значащие данные.

Верхние уровни

Дополнительные верхние уровни находятся над уровнем канала данных и позволяют инженерам настроить канал связи под конкретную задачу. В некоторых протоколах описаны специальные стандарты для функционала верхних уровней, в других они могут быть определены разработчиком. Широко используемый функционал включает поиск и коррекцию ошибок, данные о заголовках для пакетной передачи и даже информацию о статусе соединения.

Уровни выше стандартных (канального и физического) обычно настраиваются под требования конкретной задачи, позволяя инженерам извлечь выгоду из существующей реализации стандартных уровней. Примерами распространенных функций верхнего уровня являются обнаружение и коррекция ошибок при помощи циклического контроля четности с избыточностью — CRC (cyclic redundancy checking) и упреждающей коррекции ошибок, или FEC (forward error correction). Компромиссным решением при передаче данных являются различные комбинации алгоритмов для обнаружения и коррекции ошибок. CRC содержит в себе методику поиска потерянных бит в принятых данных, но с его помощью нельзя исправить найденную ошибку. Единственный способ — запросить данные повторно. При этом FEC содержит в передаваемых данных дополнительную информацию, с помощью которой на принимающей стороне можно исправить небольшое количество ошибок.

Перспективы высокоскоростной последовательной связи

Высокоскоростная последовательная связь является фундаментальным прорывом в принципах работы цифровых интерфейсов, позволяющим существенно увеличить пропускную способность. Меньшие размер и потребляемая мощность, наряду с большей производительностью, ведут к быстрому росту популярности высокоскоростных последовательных интерфейсов. Принципы их работы постоянно совершенствуются, и разработчики предлагают все более высокие скорости передачи данных, что позволяет использовать их в мире Big Data. Примером недавних успехов является переход к многоуровневой передаче сигнала, такой как импульсно-амплитудные модуляции PAM-4 и PAM-8, которые обеспечивают передачу данных на большей скорости при той же полосе пропускания канала. Из-за возрастающих требований к скорости многим инженерам приходится ускорять разработки и тестирование новых интерфейсов.

Компания National Instruments следует тенденциям рынка высокоскоростной последовательной связи, поэтому теперь высокоскоростные последовательные приемопередатчики присутствуют во многих предлагаемых NI решениях для различных задач: от функционального цифрового тестирования до автономных обработчиков и ВЧ-тестирования при помощи векторного трансивера второго поколения (VST). Универсальный мультигигабитный последовательный порт реализован с помощью подключения цифровых линий к открытой ПЛИС для гибкого задания протокола порта, а также предоставления готовых IP-реализаций протоколов Xilinx Aurora, RapidIO, JESD204B, CPRI, 10 Gigabit Ethernet и др. Сегодня такой порт не только доступен в виде отдельного прибора формата PXI Express, но также интегрируется в радиоизмерительные приборы, такие как NI VST, и во встраиваемые измерительные решения, такие как контроллер для NI FlexRIO.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Последовательные интерфейсы передачи данных | Защита информации

Последовательные интерфейсы

Последовательный интерфейс для транспортировки информации реализует в одном направлении одну сигнальную линию, по которой передаются информационные биты друг за другом последовательно. Последовательная передача разрешает сократить число сигнальных линий и улучшить связь на больших дистанциях. Будут рассмотрены следующие интерфейсы: RS-423A (V.10, X.26), RS-232C (V.24 + V.28, X.20bis + X.21bis), RS-422A (V.11, X.27), токовая петля, RS-440 (V.36), RS-530, RS-485 и HSSI. Аббревиатура RS (Recommended Standart), это рекомендации от организации EIA. Спецификации X.xx, V.xx — являются рекомендациями международной организации МККТТ. В таблице наведена информация о этих интерфейсах. Все рекомендации и стандарты относятся к первому уровню модели OSI — физический.

Режимы последовательной передачи

Последовательная передача данных может быть реализована в синхронном и асинхронном режимах. При асинхронной передаче каждый символ перелается отдельно. Посылка начинается со старт-бита, а завершает посылку стоп бит (рис.1). Старт бит — это механизм синхронизации приемника по сигналу передатчика. Ясно, что приемник и передатчик должны работать на одной скорости обмена. Внутренний генератор синхронизации приемника реализует счетчик-делитель опорной частоты, обнуляемый во время приема начала старт бита. Такой счетчик генерирует внутренние стробы, с помощью которых приемник фиксирует последующие принимаемые биты.При передачи восьми бит данных, одного контрольного и одного стоп-бита допустимое рассогласование скоростей, при которой информация будет распознана верно не превышает 5%. Чем меньше коэффициент деления опорной частоты внутреннего генератора, (чем выше частота транспортировки), тем больше погрешность привязки стробов к середине битового интервала.

Рисунок — 1

Асинхронный формат отправки разрешает выявлять различные ошибки передачи:

• Если во время, которое отведено на стоп бит, обнаружен уровень логического нуля — определяется ошибка стоп бита
• Если принят перепад, который оповещает о начале посылки, а по стробу старт бита определен уровень логической еденицы, то старт бит считается ложным и приемник снова переходит в режим ожидания
• Если реализован контроль четности, то после отправки бит данных передается контрольный бит

Контроль формата разрешает обнаружить обрыв канала: при этом принимается логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит, и нулевые биты данных, потом реализуется контроль стоп-бита. Для асинхронного режима принят стандарт скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Такой режим имеет большую популярность, его реализуют для подключение принтеров, терминалов, плоттеров.

Синхронный режим требует постоянную активность канала связи. Отправка пакета начинается с флага (Синхробайта), после которого идет поток данных. Если у передатчика нету данных для передачи, он заполняет такую паузу непрерывной отправкой символов синхронизации. В таком режиме нужна внешняя синхронизация приемника и передатчика. Такая синхронизация возможна либо с помощью синхросигналов или с помощью отдельного канала. Такой режим используется в телекоммуникациях или глобальных сетях. В персональных компьютерах его редко поддерживают. К примеру специальный адаптер с физическим интерфейсом V.35.

Смотрите также:

Интерфейсы. Последовательная передача данных | RuAut

Существуют три формы связи для последовательной передачи цифровых данных:

1. Симплексная связь. Здесь участвует один передатчик А и один приемник В. Устройство В не может передавать данные обратно А. Связь осуществляется через отдельную пару проводов.




2. Полудуплексная связь. Здесь возможна двунаправленная передача данных от А к В и от В к А, но не одновременно. Связь осуществляется по кабелю, состоящему из двух или четырех проводов.




3. Дуплексная связь. Здесь возможна одновременная двунаправленная передача данных от А к В и от В к А. Связь осуществляется по кабелю, состоящему из двух или четырех проводов.

Для каждой из описанных выше форм связи необходимо, чтобы приемное устройство было готово принять и идентифицировать каждый набор данных, переданный передатчиком. Существуют два способа решения этой задачи. При асинхронной передаче каждому пакету данных предшествует старт-бит, а по окончании передачи этого пакета данных следует стоп-бит. Таким образом, приемное устройство всегда знает точно, где данные начинаются и где заканчиваются. Из-за необходимости постоянной проверки старт- и стоп-битов скорость передачи при данном виде связи ограничена и, как правило, не бывает больше 1200 бит/с. Этот вид связи используется в зоне неуверенного приема. При синхронной передаче не требуется никаких старт-и стоп- битов, так как передатчик и приемник синхронизированы. Начало приема/передачи данных предварительно синхронизируется синхросигналом, а затем каждое слово пакета данных распознается как блок из семи или восьми бит. При синхронной передаче периодически происходит рассинхронизация. Этот способ передачи данных может быть использован со скоростью более 1200 бит/с и наиболее часто применяется для передачи таких потоков данных, как программные файлы.

Примером последовательного интерфейса является RS-232 — это широко распространенный стандартный последовательный интерфейс. Этот интерфейс может быть использован для передачи данных со скоростью до 20 000 бит/с на расстояние до 15 метров; на более длинные дистанции скорость передачи уменьшается.

Высокоскоростные последовательные интерфейсы. Часть 1

Высокоскоростные последовательные интерфейсы — это развивающаяся технология, призванная сократить размеры устройств и значительно увеличить скорость передачи данных. Можно увидеть кардинальный поворот в шинах  передачи данных от параллельных шин к последовательным, который начался в начале 2000-ых. Переход от параллельных интерфейсов к высокоскоростным  последовательным шинам  привело к появлению таких технологий как SATA, USB и PCI Express, преимущества которых хорошо оценены сегодня.

Есть физическое ограничение тактовой частоты параллельных шин величиной порядка 1/2 ГГц. Это происходит потому, что существуют задержки между сигналом тактовой частоты и битами данных, которые вызывают ошибки на высоких скоростях.  Высокоскоростные последовательные шины передают кодированные данные, в которых содержатся и сами данные и информация о частоте в едином дифференциальном сигнале, что позволяют инженерам избежать ограничений параллельных шин. В настоящее время, часто используются последовательные интерфейсы со скоростями передачи данных до 10 Гбит/с. Дополнительно, несколько линий последовательного интерфейса могут  быть объединены вместе для получения линков с большей пропускной способностью.

Преобразование данных в последовательный вид и передача их с большей скоростью позволяет сократить количество контактов у микросхем. Кроме того, последовательные линии могут работать на гораздо большей частоте, реализуя лучшую пропускную способность, чем в случае использования параллельного интерфейса.

Уменьшение количество контактов у микросхем может уменьшить сложность изделия, но большая частота передачи добавляет проблем при проектировании. Когда скорость передачи данных достигает диапазона радиочастот, цепи для таких сигналов должны быть спроектированы как радиочастотные приемопередатчики для обеспечения целостности сигнала. Для упрощения способов обеспечения целостности сигналов при реализации высокоскоростных последовательных технологий используются специальные меры такие, как специальной кодирование, технологий «pre-emphasis» и выравнивание уровней.

Для того, чтобы последовательные соединения корректно работали, каждая сторона должна быть согласована и оперировать со специфичными параметрами. Эти параметры можно распределить на множественные функциональные уровни.

Самый нижний уровень — физический, который отвечает за удачную передачу и восстановление ноликов и единичек. Кроме того, канальный уровень отвечает за «упаковку» чистого потока данных в значащие структуры, что позволяет физическому уровню корректно осуществлять передачу и прием. Затем, верхние уровни, расположенные над физическим и канальным уровнями, могут предоставлять дополнительные функции такие, как коррекция ошибок, упаковка в пакеты или данные маршрутизации.

Физический уровень отвечать за электрическую совместимость между устройствами и передаёт синхронно тактированные биты на канальный уровень. Физический уровень — самый низкий. На этом уровне разработчики должны проектировать приёмники и передатчики электрически совместимыми.

Различные высокоскоростные последовательные протоколы определяют различные  требования для электрического интерфейса приемника и передатчика. Электрический сигнал для высокоскоростных интерфейсов, как правило, дифференциальный.  Информация передаётся как два комплементарных сигнала (положительный и отрицательный сигналы), каждый из которых передаётся по своему проводнику. Такой технический прием  требуется для достижения коротких фронтов и спадов сигнала для скоростей выше 1 Гбит/с, электромагнитной совместимости и увеличения помехостойкости за счёт снижения синфазных помех. Кроме того, магнитуда сигнала редко превышают 1 В на таких скоростях и используемые  электрические стандарты — это LVDS (low-voltage differential signaling), ECL (emitter-coupled logic) или CML (current mode logic).

Другая важная особенность физического уровня для высокоскоростных последовательных связей — это возможность восстановления тактовой синхронизации из потока данных CDR (clock and data recovery). Технология CDR — это возможность на стороне приёмного устройства синхронизировать ко входному потоку данных без необходимости использования отдельного тактового сигнала. Это реализуется с помощью канального уровня, пропускающего обычные биты данных через кодировку. Это позволяет схемам ФАПЧ (PLL — phase -locke loop) и фазовой интерполяции (PI — phase interpolator)  восстанавливать переданную частоту и использовать её для захвата входящих данных с минимальными ошибками.

Выравнивание (equalization) — это процесс компенсации электрических характеристик сигнала для улучшения частотного отклика канала. Такая компенсация может быть необходима на приёмной или передающей стороне линии связи для улучшения такой характеристики, как «link margin», обычно она реализуется на приёмной стороне.

Когда высокоскоростной последовательный сигнал передаётся по дорожке на печатной плате, через соединители или кабели и в приёмнике выравнивание неодинаково влияет на все частотные компоненты сигнала, в результате чего происходит искажение сигнала. Настройки выравнивания в мультигигабитных приемопередатчиках могут усиливать или ослаблять различные частоты в сигнале  до его обработки для улучшения запаса   устойчивости сигнала. Многие мультигигабитные приемопередатчики обладают функцией автовыравнивания, которая детектирует и последовательно настроивает эквалайзеры к идеальным настройкам.

Термин «pre-empsis» или «предыскажение» обычно используют для обозначения коррекции частоты на стороне передатчика высокоскоростной коммуникационной линии. Она применяется для устранения аналоговых искажений, таких как межсимвольная интерференция (ISI-inter-symbol interference). На высоких скоростях передачи, биты данных начинают влиять друг на друга при передаче. Предыскажение противодействует  деградации сигнала в канале.

Источники

Материал предназначен для использования в образовательных целях

Сети ЭВМ — Промышленные последовательные интерфейсы

Начало

Глобальные сети

Рекомендация V.35

Набор сигналов, с помощью которых производится информационное взаимодействие по данному интерфейсу, в основном тот-же, что и у интерфейса V.24. Однако ряд наиболее важных с точки зрения процесса передачи данных сигналов передается по симметричным цепям. В первую очередь к таким сигналам относятся сигналы принимаемых и передаваемых данных и синхронизирующие сигналы. Сигналы, передаваемые по витой паре, тоже образуют пару прямой сигнал (А) и обратный сигнал (В).

Остальные сигнальные цепи, например DTR, которые предназначены для передачи низкочастотных сигналов, передаются несбалансированными цепями.

Стандарты EIA(RS)-422, 485, 449 и 530

Стандарт ANSI EIA(RS)-422 имеет название «Электрические характеристики цифрового интерфейса с симметричными информационными цепями». Набор информационных сигналов в данном случае так же, как и в предыдущем случае, соответствует базовому набору V.24. Особенность данного стандарта состоит в том, что все информационные сигналы формируются в симметричном виде.

Стандарт ANSI EIA(RS)-485 имеет название «Электрические характеристики генераторов и приемников многоточечного цифрового интерфейса с симметричными информационными цепями». Номенклатура и форма представления информационных сигналов у обоих этих стандартов одинакова. Особенность EIA(RS)-485 заключается в том, что помимо обычных требований к параметрам линейных компонентов, он определяет возможность для передачи информационных сигналов в многоточечном режиме. В соответствии с требованиями этого стандарта в информационном взаимодействии могут участвовать более 2 объектов. Один из этих объектов является ведущим (MASTER), остальные становятся подчиненными (SLAVE).

Параметры линий и информационных сигналов EIA(RS)-485 могут обеспечить информационный обмен объектов, которые находятся на расстоянии до 4000 футов друг от друга.

Стандарты EIA(RS)-449 и EIA(RS)-530 определяют процедуры взаимодействия DCE-DTE и требования к физическим и механическим параметрам интерфейсов с симметричными информационными цепями. В таблице приведены рекомендованные скорости и дистанции передачи данных
для различных интерфейсов.

Рекомендация X.21

Рекомендация X.21 определяет интерфейс между DTE и DCE для синхронного обмена по сетям передачи данных общего назначения. В отличие от V.24 данная рекомендация изначально задумывалась для синхронного обмена по цифровым сетям. Поэтому набор используемых сигналов, который определяется протоколом X.21 существенно короче, все сигналы передаются по симметричным цепям, а отдельные цепи для передачи сигналов квитирования и управления потоком вообще не используются.

Полный список цепей рекомендации X.21 содержит всего 9 позиций, причем только 7 из них являются сигнальными и только 5 из них  — обязательными.

Цепь T transmit формируется DTE и предназначена для передачи передаваемых данных.

Цепь R receive формируется DCE и предназначена для передачи принимаемых данных.

Цепь C control формируется DTE и предназначена для передачи управляющих сигнальных последовательностей.

Цепь I indication формируется DCE и предназначена для передачи ответных сигнальных последовательностей.

Цепь S signal element timing формируется DCE и предназначена синхронизации передаваемых и принимаемых данных.

Взаимодействие DCE и DTE заключается в обмене управляющими сигналами и последовательной смене состояний. Со стороны DTE состояние образуют две информационных цепи, «Передаваемые данные» и «Управление», которые в терминах стандарта X.21 называются t и c , соответственно. Со стороны DСE состояние также образуют две информационных цепи, «Принимаемые данные» и «Индикация», которые в терминах стандарта X.21 называются r и i, соответственно. Сигнал на цепях r и i может иметь два состояния ON и OFF. Состояние сигнала на этих цепях считается устойчивым, если он не изменяется в течение 16 последовательных тактов синхронизирующего сигнала. Цепи приема и передачи данных t и r используются для передачи стабильного уровня или управляющих символов. Сигналом является наличие в течении определенного времени на цепи передачи и приема данных уровня логического «0» или логической «1». Сигналами также являются стандартные информационные последовательности (управляющие символы), которые также передаются по этим цепям. К таким символам относятся такие символы, как «BEL» — сигнал входящего вызова и «+» — сигнал подтверждения исходящего вызова.

HSSI Рекомендация EIA/TIA 612/613

Данный документ определяет интерфейс физического уровня между высокоскоростными устройствами DCE и DTE и обеспечивает скорость информационного взаимодействия между ними свыше 50 Мбит/сек.

В отличие от протоколов V.24, V.35 информационные сигналы HSSI кодируются уровнями напряжений которые приняты в технологии ЭСЛ.

RT (Receive Timing): синхронизация принимаемых данных. Этот сигнал формируется DCE и представляет собой синхронизирующую последовательность с максимальной частотой следования импульсов до 52 МГц.

RD (Receive Data): принимаемые данные. Этот сигнал формируется DCE и представляет собой информационный сигнал, который устройство DCE получает из канала передачи данных.

ST (Send Timing): синхронизация передаваемых данных. Этот сигнал формируется DCE и по своим параметрам аналогичен описанному ранее сигналу RT и предназначен для синхронизации в DCE передаваемого сигнала DTE.

TT (Terminal Timing): синхронизация терминалом передаваемых данных. Этот сигнал формируется DTE и представляет собой сигнальную последовательность ST, которую устройство DTE буферизирует и возвращает обратно в DCE.

SD (Send Data): передаваемые данные. Этот сигнал формируется DTE и синхронизируется импульсами TT.

TA (Terminal Available): аппаратура DTE готова. Этот сигнал формируется DTE и означает, что аппаратура DTE готова передавать и принимать данные. Собственно передача данных не начинается до тех пор, пока аппаратура DCE не представит сигнал CA.

CA (DCE Available): аппаратура DCE готова. Этот сигнал формируется DCE и означает, что аппаратура DCE готова передавать и принимать данные. Формирование сигналов TA и CA устройствами DCE и DTE производится независимо, процесс передачи данных этими сторонами начинается при наличии обоих этих сигналов.

LA (Loopback circuit A) и LB (Loopback circuit B): управление контрольными функциями устройства DCE. С помощью этих сигналов можно реализовать следующие контрольные режимы:

Современное состояние и перспективы развития протоколов и интерфейсов физического уровня

В последнее время достаточно четко определилась тенденция к специализации интерфейсов и протоколов физического уровня. Если раньше телекоммуникационную и компьютерную индустрию удовлетворяли возможности, которые обеспечивали последовательные универсальные интерфейсы, то теперь на первый план выходят специализированные интерфейсы. Специализированные интерфейсы позволяют обеспечить выполнение растущих требований к электрическим и физическим параметрам взаимодействующих систем и являются более дешевыми и технологичными, чем универсальные. К специализированным интерфейсам относится интерфейс PS/2. Этот интерфейс в настоящее время широко используется для подключения манипуляторов «мышь» вместо ранее использовавшегося для этой же цели интерфейса V.24. Он использует минимальный набор информационных сигналов (синхронизация и двунаправленные данные) и в три раза более компактный соединитель, чем DB9.

Развитие элементной базы и повышение требований к скорости передачи данных вызвало появление новых стандартов для протоколов физического уровня. К таким новым стандартам относится спецификация USB.

Что такое последовательная связь и как она работает? [Объяснение]

Введение

Последовательная связь — это наиболее широко используемый подход для передачи информации между оборудованием обработки данных и периферийными устройствами. В общем, общение означает обмен информацией между людьми посредством письменных документов, устных слов, аудио- и видеоуроков.

Каждое устройство, будь то ваш персональный компьютер или мобильный телефон, работает по последовательному протоколу. Протокол представляет собой безопасную и надежную форму связи, имеющую набор правил, адресованных исходному хосту (отправителю) и целевому хосту (получателю).Чтобы лучше понять, я объяснил концепцию последовательной связи.

Во встроенной системе последовательная связь — это способ обмена данными с использованием различных методов в форме последовательного цифрового двоичного кода. Некоторые из хорошо известных интерфейсов, используемых для обмена данными: RS-232, RS-485, I2C, SPI и т. Д.

Что такое последовательная связь?

При последовательной связи данные передаются в виде двоичных импульсов. Другими словами, мы можем сказать, что двоичная единица представляет собой логический ВЫСОКИЙ уровень или 5 вольт, а ноль представляет собой логический низкий уровень или 0 вольт.Последовательная связь может принимать различные формы в зависимости от типа режима передачи и передачи данных. Режимы передачи классифицируются как симплексный, полудуплексный и полнодуплексный. Для каждого режима передачи будет существовать источник (также известный как отправитель) и пункт назначения (также называемый получателем).

Режимы передачи — Последовательная связь

Симплексный метод — это метод односторонней связи. Только один клиент (одновременно активен либо отправитель, либо получатель). Если отправитель передает, получатель может только принять.Радио и телевидение являются примерами симплексного режима.

В полудуплексном режиме и отправитель, и получатель активны, но не одновременно, т.е. если отправитель передает, получатель может принимать, но не может отправлять, и наоборот. Хороший пример — Интернет. Если клиент (портативный компьютер) отправляет запрос на веб-страницу, веб-сервер обрабатывает приложение и отправляет обратно информацию.

Полнодуплексный режим широко используется для связи в мире. Здесь и отправитель, и получатель могут передавать и получать одновременно.Примером может служить ваш смартфон.

Помимо режимов передачи, мы должны учитывать порядок байтов и структуру протокола главного компьютера (отправителя или получателя). Порядок байтов — это способ хранения данных по определенному адресу памяти. В зависимости от выравнивания данных порядок байтов классифицируется как

• Little Endian и
• Big Endian.

Рассмотрим этот пример, чтобы понять концепцию порядка байтов. Допустим, у нас есть 32-битные шестнадцатеричные данные ABCD87E2. Как эти данные хранятся в памяти? Чтобы иметь четкое представление, я объяснил разницу между Little Endian и Big Endian.

Little Endian vs Big Endian

Передача данных может происходить двумя способами. Это последовательная связь и параллельная связь. Последовательная связь — это метод, используемый для побитовой передачи данных с использованием двухпроводной связи, то есть передатчика (отправителя) и приемника.

Например, я хочу отправить 8-битные двоичные данные 11001110 от передатчика к приемнику. Но какой бит гаснет первым? Самый значимый бит — MSB (7 ^{-й бит} ) или младший значащий бит (0 ^{-й бит} ).Мы не можем сказать. Здесь я считаю, что LSB движется первым (для Little Endian).

Последовательная связь

Из приведенной выше диаграммы для каждого тактового импульса; передатчик отправляет приемнику один бит данных.

Параллельная связь перемещает 8, 16 или 32 бита данных за раз. Принтеры и машины Xerox используют параллельную связь для более быстрой передачи данных.

Параллельная связь RS232

Разница между последовательной и параллельной связью

Последовательная связь передает только один бит за раз.поэтому для них требуется меньше линий ввода / вывода (ввода-вывода). Следовательно, он занимает меньше места и более устойчив к перекрестным помехам. Основное преимущество последовательной связи заключается в том, что стоимость всей встроенной системы удешевляется, и информация передается на большие расстояния. Последовательная передача используется в устройствах DCE (Data Communication Equipment), таких как модем.

При параллельном обмене данные (8, 16 или 32 бита) отправляются за раз. Таким образом, каждый бит данных требует отдельной физической линии ввода-вывода. Преимущество параллельной связи в том, что она быстрая, но ее недостаток — в использовании большего количества линий ввода-вывода (ввода-вывода).Параллельная передача используется в ПК (персональном компьютере) для соединения CPU (центрального процессора), RAM (оперативной памяти), модемов, аудио, видео и сетевого оборудования.

Примечание. Если ваша интегральная схема или процессор поддерживает меньшее количество контактов ввода / вывода, лучше выбрать последовательную связь.

Для облегчения понимания, вот сравнение последовательной и параллельной связи.

Синхронизация часов

Для эффективной работы последовательных устройств часы являются основным источником.Неисправность часов может привести к неожиданным результатам. Тактовый сигнал различен для каждого последовательного устройства, и он подразделяется на синхронный протокол и асинхронный протокол.

Синхронный последовательный интерфейс

Все устройства на синхронном последовательном интерфейсе используют единую шину ЦП для совместного использования часов и данных. Благодаря этому передача данных происходит быстрее. Преимущество заключается в отсутствии несоответствия в скорости передачи данных. Более того, для сопряжения компонентов требуется меньше линий ввода / вывода (ввода-вывода).Примеры: I2C, SPI и т. Д.

Асинхронный последовательный интерфейс

Асинхронный интерфейс не имеет внешнего синхросигнала и зависит от четырех параметров, а именно

1. Управление скоростью передачи
2. Управление потоком данных
3. Управление передачей и приемом
4. Контроль ошибок.

Асинхронные протоколы подходят для стабильной связи. Они используются для приложений на большие расстояния. Примеры асинхронных протоколов: RS-232, RS-422 и RS-485.

Как работает последовательная связь?

Усовершенствованный ЦП, такой как микроконтроллер и микропроцессор, использует последовательную связь для связи с внешним миром, а также с периферийными устройствами микросхемы. Для ознакомления рассмотрим простой пример. Предположим, вы хотите отправить на смартфон файл, хранящийся на вашем ноутбуке. Как бы вы отправили? Вероятно, по протоколу Bluetooth или Wi-Fi, верно.

Итак, вот шаги для установления последовательной связи.

1. Добавьте соединение.

На первом этапе ваш ноутбук будет искать устройства в радиусе 100 м и будет отображать найденные устройства. Этот процесс часто называют роумингом.

2. Выберите устройство, с которым хотите установить связь.

Для подключения к мобильному телефону необходимо выполнить сопряжение. Конфигурация по умолчанию уже присутствует в программном обеспечении. Таким образом, нет необходимости настраивать скорость передачи данных вручную. Помимо этого, есть четыре неизвестных правила. Это скорость передачи данных, выбор битов данных (кадрирование), стартовый и стоповый бит и четность.

Правила последовательной связи

# 1 Что такое скорость передачи данных?

Скорость передачи данных — это скорость передачи данных от передатчика к приемнику в битах в секунду. Некоторые из стандартных скоростей передачи — 1200, 2400, 4800, 9600, 57600.

Вы должны установить одинаковую скорость передачи данных на обеих сторонах (мобильный телефон и ноутбук).

Примечание. Чем выше скорость передачи, тем больше данных можно передать за меньшее время.

Однако я рекомендую использовать до 115200 в качестве безопасного предела из-за несоответствия частоты дискретизации на стороне приемника.

# 2 Фрейминг

Фрейминг показывает, сколько бит данных вы хотите отправить с главного устройства (портативного компьютера) на мобильное устройство (получатель). Это 5, 6, 7 или 8 бит? В основном для многих устройств предпочтительнее 8 бит. После выбора 8-битного блока данных отправитель и получатель должны согласовать порядок байтов.

# 3 Synchronization

Передатчик добавляет биты синхронизации (1 стартовый бит и 1 или 2 стоповых бита) к исходному кадру данных. Биты синхронизации помогают получателю определить начало и конец передачи данных.Этот процесс известен как асинхронная передача данных.

# 4 Контроль ошибок

Возможно повреждение данных из-за внешнего шума на стороне приемника. Единственное решение для получения стабильного вывода — это проверить четность.

Если двоичные данные содержат четное число единиц, это называется четностью, и бит четности устанавливается в «1». Если двоичные данные содержат нечетное число единиц, это называется нечетной четностью, и теперь бит четности установлен на «0».

Асинхронные последовательные протоколы

Самый частый вопрос, который придет вам в голову, когда вы начнете работать со встроенной системой, — зачем использовать асинхронные протоколы?

• Для перемещения информации на большее расстояние и
• Для более надежной передачи данных.

Вот некоторые из протоколов асинхронной связи:

Протокол RS-232

• RS232 — первый последовательный протокол, используемый для подключения модемов для телефонии. RS означает «Рекомендуемый стандарт», и теперь он изменился на EIA (Electronic Industries Alliance) / TIA (Telecommunication Industry Association).
• Он также используется в модемах, мышах и станках с ЧПУ (числовые вычисления). Вы можете подключить только один передатчик к одному приемнику.
• Он поддерживает полнодуплексную связь и обеспечивает скорость передачи до 1 Мбит / с.
• Длина кабеля не превышает 50 футов.

Как известно, данные хранятся в памяти в виде байтов. У вас могут возникнуть сомнения. Как побайтовые данные преобразуются в двоичные биты? Ответ — последовательный порт.

Последовательный порт имеет внутреннюю микросхему под названием UART. UART — это аббревиатура от Universal Asynchronous Receiver Transmitter, которая преобразует параллельные данные (байты) в побитовую последовательную форму.

Последовательный порт RS232

Подключение проводов RS-232

Последовательный порт RS232 имеет девять контактов, вилка или розетка. Интерфейс последовательной связи RS 232C является более поздней версией RS232.

Все функции, присутствующие в RS232, присутствуют в модели RS232C, за исключением того, что она имеет 25 контактов. Из 25 или 9 контактов мы используем только три контакта для подключения оконечных устройств.

Подключение проводов RS232

Интерфейс RS422

Мы можем передавать данные только со скоростью до 1 Мбит / с, используя RS232.Чтобы преодолеть эту проблему, на сцену выходит RS422. RS422 — это многоточечный последовательный интерфейс. мы можем подключить десять передатчиков к 10 приемникам одновременно, используя одну шину. Он отправляет данные с помощью двух кабелей витой пары (дифференциальная конфигурация). Длина кабеля составляет 4000 футов со скоростью передачи 10 Мбит / с.

Подключение проводов RS 422

Интерфейс RS485

Протокол RS485 является предпочтительным в отрасли протоколом. В отличие от RS422, вы можете подключить 32 линейных драйвера и 32 приемника в дифференциальной конфигурации.Передатчик также называется линейным драйвером. Однако одновременно активен только один передатчик.

Подключение проводов RS485

Примечание. Как для RS232, так и для RS485, вы должны разорвать соединение вручную.

Протокол 1-Wire

Один провод аналогичен протоколу I2c. Но разница в том, что в одном проводном протоколе используется одна линия передачи данных и земля. Он не требует тактового сигнала, а ведомые устройства синхронизируются с помощью внутреннего кварцевого генератора. Обеспечивает полудуплексную связь.

Один провод использует 64-битную схему адресации. Преимущество однопроводного интерфейса в том, что он поддерживает связь на большом расстоянии при невысокой стоимости. Но недостатком является меньшая скорость.

Асинхронные проводные протоколы хорошо подходят для связи на больших расстояниях. Однако у синхронных последовательных интерфейсов есть один недостаток.

Недостатком является то, что при необходимости подключения большего количества передатчиков и приемников стоимость установки возрастает.

Протоколы синхронной последовательной передачи данных

Протоколы синхронной связи — лучшие ресурсы для встроенных периферийных устройств.Преимущество состоит в том, что вы можете подключить к одной шине больше устройств. Некоторые из синхронных протоколов: I ² C, SPI, CAN и LIN.

Протокол I2C

I2c (Межинтегральная схема) — это двухпроводной двунаправленный протокол, используемый для обмена данными между различными устройствами на одной шине. I2c использует 7-битный или 10-битный адрес, что позволяет подключать до 1024 устройств. Но для генерации условий запуска и остановки требуется тактовый сигнал. Преимущество в том, что он обеспечивает передачу данных со скоростью 400 кбит / с.Подходит для бортовой связи.

Протокол SPI

Протокол SPI (последовательный периферийный интерфейс) отправляет и принимает данные в непрерывном потоке без прерывания. Этот протокол рекомендуется для высокоскоростной передачи данных. Максимальная скорость, которую он может обеспечить, составляет 10 Мбит / с.

В отличие от i2c, SPI имеет 4 провода. Это MOSI (главный выход, подчиненный вход), MISO (главный в подчиненном выходе), тактовый сигнал и сигнал выбора подчиненного. Теоретически мы можем подключить неограниченное количество ведомых устройств, и практически это зависит от емкости нагрузки шины.

Протокол CAN

Этот протокол предназначен для автомобильных систем или автомобилей. Это ориентированный на сообщения протокол, используемый для мультиплексной электропроводки с целью экономии меди. Это мульти-ведущая многосерийная шина, используемая в таких приложениях, как автоматический запуск / остановка транспортных средств, системы предотвращения столкновений и т. Д.

USB

Интерфейс USB — лучшая альтернатива последовательным или параллельным портам. Передача данных, связанная с портами USB, намного быстрее, чем через последовательный и параллельный интерфейсы.USB поддерживает скорость от 1,5 Мбит / с (USB 1.0) до 4,8 Гбит / с (USB 3.0). Сегодня большинство встраиваемых устройств используют технологию USB OTG (программирование на ходу) для выгрузки шестнадцатеричного файла в микроконтроллер.

Microwire

Microwire — это трехпроводной протокол последовательной связи. Он имеет последовательный порт ввода-вывода на микроконтроллере для взаимодействия с периферийными микросхемами. Он поддерживает скорость до 3 Мбит / с. Это быстрее, чем i2c и подмножество протокола SPI.

Заключение

Последовательная связь является жизненно важной частью в области электроники и встроенных систем.Скорость передачи данных имеет решающее значение, если два устройства хотят обмениваться информацией на одной шине. Следовательно, необходимо выбрать действующий последовательный протокол для любого приложения.

Также прочтите: Что такое встроенная система и как она работает?

Сравнение последовательных протоколов

— Embedded.com

Последовательные шины усеивают ландшафт встраиваемого дизайна. От дисплеев до устройств хранения и периферийных устройств — последовательные интерфейсы делают возможной связь.

Многие интерфейсы последовательной связи конкурируют за использование во встроенных системах.Правильный последовательный интерфейс для вашей системы зависит от нескольких ключевых факторов. В этой статье я опишу семь наиболее распространенных последовательных интерфейсов, чтобы помочь вам решить, какая шина подходит для вашего следующего проекта.

Почему серийный?

Есть много разных причин использовать последовательный интерфейс. Одна из наиболее распространенных — необходимость взаимодействия с ПК во время разработки и / или в полевых условиях. Большинство, если не все ПК имеют какой-либо интерфейс последовательной шины для подключения периферийных устройств.Для встроенных систем, которые должны взаимодействовать с компьютером общего назначения, последовательный интерфейс часто проще в использовании, чем шина расширения ISA или PCI.

Преимущество последовательной связи — небольшое количество контактов. Последовательная связь может выполняться только с одним контактом ввода-вывода по сравнению с восемью или более для параллельной связи. Многие распространенные периферийные устройства встроенных систем, такие как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, ЖК-дисплеи и датчики температуры, поддерживают последовательные интерфейсы.

Последовательные шины также могут обеспечивать межпроцессорную связь — сеть, если хотите.Это позволяет решать большие задачи, которые обычно требуют больших процессоров, с помощью нескольких недорогих процессоров меньшего размера. Последовательные интерфейсы позволяют процессорам обмениваться данными без необходимости использования общей памяти и семафоров, а также проблем, которые они могут создать.

Это не означает, что параллельные шины бесполезны. В области оперативной выборки, шин адреса и данных и другого микропрограммного управления параллельные шины всегда были явным победителем. Периферийные устройства с «отображением памяти» — это техника, обычно используемая в системах с адресными шинами и шинами данных.Эта тенденция обеспечивает параллельный доступ к периферийным устройствам вне кристалла. Однако со многими 8-разрядными микроконтроллерами (не говоря уже о 8-контактных) без внешней шины адреса / данных, доступной для проектов, отображение памяти не является вариантом.

Терминология

Прежде чем мы перейдем к деталям отдельных интерфейсов, мы должны определить несколько терминов:

• По асинхронной шине данные отправляются без синхронизации. Синхронная шина отправляет данные с таймером.
• Полнодуплексный режим означает, что данные можно отправлять и получать одновременно.Полудуплекс — это когда данные можно отправлять или получать, но не одновременно.
• Главный / подчиненный описывает шину, в которой одно устройство является главным, а другие — подчиненными. Шины ведущий / ведомый обычно синхронны, поскольку ведущее устройство часто обеспечивает синхронизацию для данных, отправляемых в обоих направлениях.
• Шина с несколькими ведущими — это шина ведущий / ведомый, у которой может быть более одного ведущего. Эти шины должны иметь схему арбитража, которая может разрешать конфликты, когда более одного мастера хотят управлять шиной одновременно.
• Двухточечные или одноранговые интерфейсы — это когда два устройства имеют одноранговые отношения друг с другом; нет ни хозяев, ни рабов. Одноранговые интерфейсы чаще всего асинхронны.
• Термин «многоточечный» описывает интерфейс, в котором имеется несколько приемников и один передатчик.
• Многоточечный описывает шину, в которой имеется более двух одноранговых приемопередатчиков. Это отличается от многоточечного интерфейса, поскольку он позволяет осуществлять двунаправленную связь по одному и тому же набору проводов.

RS-232

TIA / EIA-232-F (обычно называемый RS-232) — это общий интерфейс, который можно найти практически на каждом персональном компьютере. RS-232 — это полный стандарт, включающий не только электрические характеристики, но также физические и механические характеристики, такие как соединительное оборудование, распиновку и названия сигналов. Двухточечный интерфейс RS-232 способен преодолевать умеренные расстояния со скоростью до 20 Кбит / с. Хотя в спецификации специально не указано, скорость больше 115.Возможны 2 Кбит / с при условии, что соединения короткие и используется надлежащее заземление. Обычно используются кабели длиной 30 футов, а кабели длиной более 200 футов можно получить с помощью кабеля с малой емкостью.

Шина RS-232 — это несимметричная шина, способная к полнодуплексной связи между двумя парами приемник / передатчик, именованным оконечным оборудованием данных (DTE) и оборудованием передачи данных (DCE). Каждый из них имеет сигнал передачи, который связан с сигналом приема на другом конце. Таким образом, между двумя сторонами есть разница в шпильках.(Ваш компьютер — это DTE, а подключенное периферийное устройство — это DCE.)

Каждый передатчик отправляет данные, изменяя напряжение на линии. Напряжение выше 3 В является двоичным нулем, а напряжение ниже –3 В — двоичным. Между этими напряжениями значение не определено. Для преобразования логических уровней (0 и 5 В) в эти уровни и обратно можно использовать ИС преобразования RS-232, такую ​​как 1488, 1489 или широко распространенный MAX232.

Типичная связь RS-232 состоит из стартового бита, битов данных, битов четности (если есть) и стоповых бит (ов).При обмене данными с ПК типичным форматом является восемь бит данных, без контроля четности и один стоповый бит (8N1). Семь битов данных, четность и один стоповый бит (7E1) также являются общими. Стартовый бит часто равен нулю, а стоповый бит часто равен единице, как показано на рисунке 1. Официальная спецификация не описывает какой-либо протокол связи, включая использование стартовых / стоповых битов.

Рисунок 1: RS-232

Многие встроенные системы, использующие шину RS-232, взаимодействуют с ПК или с периферийными устройствами ПК, такими как модемы.В других системах используется RS-232, поэтому трафик шины можно легко контролировать с помощью недорогого анализатора протокола или ПК, оснащенного двумя последовательными портами.

Почти у каждого производителя микроконтроллеров есть продукты, которые включают аппаратную поддержку RS-232, так называемые универсальные асинхронные приемные передатчики (UART). UART часто управляются прерываниями и способны развивать скорость до 115,2 Кбит / с с небольшими затратами на программное обеспечение, хотя это зависит от архитектуры.

RS-422 и RS-485

TIA / EIA-422-B (обычно обозначаемый как RS-422) и TIA / EIA-485-A (обычно обозначаемый как RS-485) — это сбалансированные интерфейсы для витой пары, обеспечивающие скорость до 10 Мбит / с и на большие расстояния. до 4000 футов.Каждая из дифференциальных шин использует сигналы от 1,5 В до 6 В для передачи данных. (При использовании дифференциальной симметричной шины помехозащищенность повышается по сравнению с несимметричной несимметричной шиной, такой как RS-232.)

Интерфейс RS-422 — это многоточечный интерфейс, обеспечивающий однонаправленную связь по паре проводов от одного передатчика к нескольким приемникам, до 10 единиц нагрузки (UL). Если устройства, получающие данные, хотят обмениваться данными с передатчиком, разработчик должен использовать отдельную выделенную шину между каждым приемником и передатчиком.(Использование этой обратной шины позволяет осуществлять полнодуплексную передачу.) По этой причине RS-422 редко используется между более чем двумя узлами.

Интерфейс RS-485, с другой стороны, представляет собой двунаправленную связь по одной паре проводов между несколькими трансиверами. В спецификации указано, что шина может включать до 32 приемопередатчиков UL. Многие производители выпускают приемопередатчики с дробным UL, тем самым увеличивая максимальное количество устройств до более 100.

Интерфейсы RS-422 и RS-485 часто используют тот же формат стартовых битов / данных / стоповых битов, что и RS-232.Фактически, существует несколько преобразователей для перехода от RS-232 к RS-485 и обратно. Однако имейте в виду, что RS-232 — это полнодуплексный интерфейс, а RS-485 — полудуплексный.

Некоторые производители микроконтроллеров предоставляют встроенные UART со специальными возможностями RS-485.

I ² C

Межинтегральная шина (I ² C) — это запатентованный интерфейс, разработанный Philips Semiconductors. (Чтобы производитель ИС мог реализовать шину I ² C на оборудовании, он должен получить лицензию от Philips.)

Шина I ² C — это полудуплексная синхронная шина с несколькими ведущими, для которой требуется только два сигнальных провода: данные (SDA) и часы (SCL). Эти линии подтягиваются высоко через подтягивающие резисторы и управляются аппаратным обеспечением через драйверы с открытым стоком, обеспечивая проводной интерфейс И.

I ² C использует адресный протокол связи, который позволяет ведущему устройству связываться с отдельными ведомыми устройствами, используя 7-битный или 10-битный адрес. Каждое устройство имеет адрес, который Philips присваивает производителю устройства.Кроме того, существует несколько специальных адресов, включая адрес «общего вызова» (который обращается к каждому устройству на шине) и адрес высокоскоростного инициирования.

Во время связи с ведомыми устройствами ведущее устройство генерирует все тактовые сигналы как для связи с ведомым устройством, так и от него. Каждая коммуникация начинается с того, что ведущий генерирует условие запуска, 8-битное слово данных, бит подтверждения, за которым следует условие остановки или повторный запуск. Каждый переход бита данных происходит при низком уровне вероятности нежелательной почты, за исключением условий запуска и остановки.Условие запуска — это переход с высокого уровня на низкий для линии SDA, в то время как линия SCL имеет высокий уровень. Условие остановки — это переход от низкого уровня к высокому для линии SDA, в то время как линия SCL находится на высоком уровне (см. Рисунок 2). Бит подтверждения генерируется получателем сообщения путем подтягивания линии SDA к низкому уровню, в то время как мастер освобождает линию и позволяет ей переместиться на высокий уровень. Если мастер считывает бит подтверждения как высокий, он должен считать последнее коммуникационное слово непринятым и предпринять соответствующие действия, включая, возможно, повторную отправку данных.

Рисунок 2: I ² C

I ² C имеет довольно интересную функцию, называемую растяжением тактовой частоты, которая выполняется, когда ведомое устройство не может обработать бит и желает большего времени. Когда это происходит, ведомое устройство переводит линию SCL в низкий уровень. Поскольку сигнал ведет себя как проводное И, когда ведущее устройство освобождает линию SCL, в то время как ведомое устройство «растягивает» часы, ведущее устройство должно заметить, что линия остается на низком уровне. Увидев это, ведущее устройство ждет, пока ведомое устройство обработает бит данных и освободит линию.После освобождения ведомым устройством линия SCL возвращается на высокий уровень, сигнализируя ведущему о необходимости отправки следующего бита данных.

Шина I ² C имеет три скорости: медленную (менее 100 Кбит / с), быструю (400 Кбит / с) и высокую (3,4 Мбит / с), каждая из которых совместима с предыдущими версиями. Компания Philips разработала рекомендованное расположение проводки на случай, если сигналы должны покидать печатную плату.

I ² C автобусные расстояния часто ограничиваются бортовой связью, хотя я слышал о разработчиках, успешно использующих I ² C на расстояниях 50 футов! Истинным пределом расстояний I ² C является скорость передачи данных и емкость шины.Таким образом, для внешней связи I ² C практически ограничен 10 футами для умеренных скоростей.

Подробнее о I ² C читайте в книге Дэвида и Рои Калински «Уголок для начинающих: I ² C» (август 2001 г.).

SPI

Последовательный периферийный интерфейс (SPI) — это синхронная последовательная шина, разработанная Motorola и присутствующая во многих ее микроконтроллерах.

Шина SPI состоит из четырех сигналов: выход главного устройства, вход подчиненного устройства (MOSI), выход главного устройства, выход подчиненного устройства (MISO), последовательные часы (SCK) и выбор подчиненного устройства с активным низким уровнем (/ SS).В качестве протокола с несколькими ведущими / ведомыми устройствами для связи между ведущим и выбранным ведомым используются однонаправленные линии MISO и MOSI для достижения скорости передачи данных более 1 Мбит / с в полнодуплексном режиме. Данные синхронизируются одновременно в ведомом и ведущем на основе импульсов SCK, которые подает ведущий. Протокол SPI позволяет использовать четыре различных типа синхронизации в зависимости от полярности и фазы сигнала SCK. Важно убедиться, что они совместимы между ведущим и ведомым.

Помимо скорости передачи данных 1 Мбит / с, еще одно преимущество SPI заключается в том, что если используется только одно ведомое устройство, линия / SS может быть понижена, и сигнал / SS не должен генерироваться ведущим устройством.(Однако эта возможность зависит от выбора фазы SCK.)

Недостатком SPI является необходимость иметь отдельные линии / SS для каждого ведомого устройства. При условии наличия дополнительных контактов ввода / вывода или дополнительного места на плате для ИС демультиплексора это не проблема. Но для небольших микроконтроллеров с малым количеством выводов интерфейс SPI с несколькими подчиненными устройствами может оказаться неприемлемым решением.

Подробнее о SPI читайте в книге Дэвида и Рои Калински «Уголок для новичков: последовательный периферийный интерфейс» (февраль 2002 г.).

Микропровода

Microwire — это трехпроводной синхронный интерфейс, разработанный National Semiconductor и присутствующий в их семействе процессоров COP8.

Подобно SPI, Microwire представляет собой шину ведущий / ведомый, с последовательными данными из ведущего (SO) и последовательными данными на ведущем (SI) и тактовыми сигналами (SK). Они соответствуют MOSI, MISO и SCK SPI соответственно. Также имеется сигнал выбора микросхемы, который действует аналогично SPI / SS. Полнодуплексная шина Microwire способна работать со скоростью 625 Кбит / с и выше (если позволяет емкость).

Устройства

Microwire от National поставляются с различными протоколами в зависимости от их потребностей в данных. В отличие от SPI, который основан на 8-битном байте, Microwire разрешает данные переменной длины, а также определяет «непрерывный» режим битового потока.

Microwire имеет те же преимущества и недостатки, что и SPI, в отношении нескольких ведомых устройств, для которых требуется несколько линий выбора кристалла. В некоторых случаях устройство SPI будет работать на шине Microwire, так же как устройство Microwire будет работать на шине SPI, хотя это необходимо проверять для каждого устройства.

Как SPI, так и Microwire обычно ограничиваются бортовой связью и трассами длиной не более 6 дюймов, хотя более длинные расстояния (до 10 футов) могут быть достигнуты при надлежащей емкости и более низкой скорости передачи данных.

1-Wire

Шина 1-Wire

Dallas Semiconductor — это асинхронная шина ведущий / ведомый без протокола для нескольких ведущих. Как и шина I ² C, 1-Wire является полудуплексным, с использованием топологии с открытым стоком на одном проводе для двунаправленной передачи данных.Однако шина 1-Wire также позволяет проводу данных передавать питание на подчиненные устройства, хотя это несколько ограничено. Хотя максимальная скорость ограничена 16 Кбит / с, длина шины может достигать 1000 футов при наличии подходящего подтягивающего резистора.

Для получения более подробной информации о шине 1-Wire прочтите книгу Х. Майкла Уилли «One Cheap Network Topology» (январь 2001 г.).

Удар битой

Если у вас нет аппаратной поддержки для любого из вышеперечисленных, можно использовать контакты ввода-вывода общего назначения.Действие программного обеспечения, управляющего последовательной связью, часто называют «перехватом битов», поскольку программное обеспечение действительно «отскакивает» от принятого «последовательного порта».

Bit banging требует, чтобы программное обеспечение было осведомлено о точном времени, требуемом для каждого бита, поскольку оно должно переключать линию вывода при каждом изменении бита (а также контролировать вывод приема входящих данных, если такой интерфейс является полнодуплексным). К счастью для разработчиков встраиваемых систем, в Интернете доступно довольно много подпрограмм для каждой последовательной шины, описанной здесь, и для использования почти в любой архитектуре микроконтроллера.Фактически, несколько производителей микроконтроллеров разработали и опубликовали свои собственные такие процедуры.

Поймая правый автобус

Как видите, существует множество шин последовательной связи на выбор. (И мы даже не обсуждали протоколы беспроводной связи, сетей, Firewire и USB.) Ваш выбор в пользу последовательной шины должен не только соответствовать потребностям продукта сегодня, но также быть доступным, а также жизнеспособным для всего срока службы продукта. . Надеюсь, это помогло вам решить, какой последовательный интерфейс подходит для вашей текущей встраиваемой конструкции.

Джон Патрик — разработчик встроенного программного обеспечения в L-3 Communications / Electrodynamics, Inc.Он имеет степени бакалавра и магистра в области электротехники в Университете Оклахомы. Когда Джон не проводит время со своей новой семьей, он работает в гараже над одним из своих роботов. С ним можно связаться по электронной почте по адресу.

Список литературы

1. «Интерфейс между оконечным оборудованием данных и оконечным оборудованием каналов передачи данных, использующим последовательный обмен двоичными данными», стандарты TIA / EIA-232-F, Технический отдел ассоциации электронной промышленности.

2.«Электрические характеристики схем сбалансированного цифрового интерфейса», Стандарты TIA / EIA-422-B, Технический отдел ассоциации электронной промышленности.

3. «Стандарт электрических характеристик генераторов и приемников для использования в сбалансированных цифровых многоточечных системах», Стандарты TIA / EIA-485-A, Технический отдел ассоциации электронной промышленности.

4. «Спецификация I ² C», версия 2.1, Philips Semiconductors.

5. Алеаф, Абдул, «Последовательный интерфейс микропровода», Примечание по применению AN-452, National Semiconductor.

6. Голди, Джон, «Краткое изложение общеизвестных стандартов интерфейсов», Руководство по применению AN-216, National Semiconductor.

7. Нельсон, Тодд, «Практические ограничения RS-485», Руководство по применению AN-979, National Semiconductor.

8. Уилсон, Майкл Р., «Обзор TIA / EIA-422-B», инструкция по применению AN-1031, National Semiconductor.

9. Голди, Джон, «Десять способов создания пуленепробиваемых интерфейсов RS-485», Примечание по применению AN-1057, National Semiconductor.

Вернуться к июню 2002 г. Содержание

Продолжить чтение

Описание последовательного интерфейса

RS-485 | Устройства CUI

В мире доступных последовательных интерфейсов может быть трудно понять их различия и понять, когда использовать каждый из них.Как всегда говорил мой любимый профессор инженерного дела: «В стандартах замечательно то, что их так много, из чего можно выбирать». Сегодняшние энкодеры умнее и совершеннее, чем когда-либо прежде, что требует от инженеров отказаться от более простых квадратурных инкрементальных датчиков и использовать высокоскоростные абсолютные энкодеры с последовательными интерфейсами. А для приложений в промышленной сфере не все последовательные интерфейсы созданы одинаковыми. Соответствуя требованиям как высокой скорости, так и промышленной надежности, последовательный интерфейс RS-485 стал широко распространенным интерфейсом для датчиков вращения и другого оборудования для управления движением.

Что такое RS-485?

RS-485 — это промышленная спецификация, определяющая электрический интерфейс и физический уровень для двухточечной связи электрических устройств. Стандарт RS-485 позволяет прокладывать большие расстояния в электрически зашумленных средах и может поддерживать несколько устройств на одной шине.

Когда, зачем и где использовать RS-485

RS-485 использовался в широком спектре компьютерных систем автоматизации, начиная с момента создания стандарта в 1998 году.Благодаря стандарту, допускающему многоабонентское соединение (несколько устройств на одной шине) и большую длину кабелей, легко понять его частое использование в промышленной сфере и в сфере автоматизации. RS-485 также можно найти в кинотеатрах, где множество устройств разбросано по огромному пространству.

Кроме того, помехозащищенность, обеспечиваемая стандартом RS-485, делает интерфейс очень универсальным. Инженеры не только используют его для прокладки кабелей на большие расстояния, но и внедряют в приложения, такие как автомобильная промышленность, где неясно, какой шум может возникнуть в конечном приложении.Возможность использования RS-485 на высоких скоростях, при больших длинах кабелей, в электрически зашумленных средах и с несколькими устройствами на одной шине делает его разумной реализацией для большинства приложений, требующих последовательного интерфейса.

Стандарт RS-485

RS-485, также известный как TIA-485 или EIA-485, — это стандарт, определяющий электрические характеристики драйверов и приемников для протокола связи. Модель взаимодействия открытых систем (OSI) пытается охарактеризовать различные уровни системы связи от конечного приложения до электрических уровней и, наконец, до физического уровня, рисунок 1.

Рисунок 1: Модель

взаимодействия открытых систем (OSI) Физический уровень модели OSI

Физический уровень модели OSI отвечает за передачу необработанных данных между устройством и физической средой передачи. Он обрабатывает преобразование электрических сигналов в цифровые данные, определяя напряжения, синхронизацию, скорость передачи данных и т. Д.

RS-485 использует две сигнальные линии, «A» и «B», которые должны быть симметричными и дифференциальными. Симметричные сигналы — это две линии, которые совместно используют пару в кабеле витой пары с одинаковым импедансом на каждой линии.Наряду с согласованным импедансом линий также должен быть согласован импеданс на приемнике и передатчике. На рисунке 2 показана типичная многоточечная сеть RS-485, в которой каждое устройство имеет дифференциальный приемопередатчик RS-485, а связь между устройствами состоит из кабелей с витой парой и согласующих резисторов.

Обратите внимание, что существуют различные топологии, которые можно использовать для организации устройств, потому что не все сети созданы одинаковыми, а требования к оконечной нагрузке, а также расположение устройств будут различаться.Например, на Рисунке 2 ниже заделка используется только в начале и конце кабеля.

Рис. 2: Типовая топология сети RS-485

Сбалансированная кабельная разводка позволяет снизить уровень шума при использовании дифференциальных сигналов. Эти сигналы «A» и «B» называются дифференциальной парой; один из сигналов соответствует исходному сигналу, а другой полностью инвертирован, поэтому его иногда называют дополнительным сигналом.

В несимметричном интерфейсе приемник связывает сигнал с землей и определяет состояние сигнала на основе заранее определенных уровней напряжения (они называются логическими уровнями, поскольку они определяют, является ли сигнал высоким или низким).Однако на больших расстояниях между кабелями, когда напряжение имеет тенденцию к падению и скорость нарастания напряжения уменьшается, часто возникают ошибки сигнала. В дифференциальном приложении хост генерирует исходный несимметричный сигнал, который затем поступает на дифференциальный передатчик. Этот передатчик создает дифференциальную пару, передаваемую по кабелю. Когда генерируются два сигнала, приемник больше не связывает уровень напряжения с землей, а вместо этого связывает сигналы друг с другом. Это означает, что вместо того, чтобы искать конкретные уровни напряжения, приемник всегда смотрит на разницу между двумя сигналами.Затем дифференциальный приемник преобразует пару сигналов обратно в один несимметричный сигнал, который может быть интерпретирован хост-устройством с использованием надлежащих логических уровней, требуемых хостом, рис. 3. Интерфейс этого типа также позволяет устройствам с разными уровнями напряжения работать. вместе посредством связи между дифференциальными трансиверами. Все это работает вместе, чтобы преодолеть деградацию сигнала, которая могла бы возникнуть в несимметричном приложении при больших расстояниях прокладки кабелей.

Рис. 3. Выходной сигнал энкодера, управляемый дифференциальным драйвером и реконструированный приемником

. Ухудшение сигнала — не единственная проблема, которая возникает на больших расстояниях между кабелями. Чем длиннее кабель внутри системы, тем выше вероятность того, что электрические помехи и помехи попадут на кабели и, в конечном итоге, в электрическую систему. Когда шум попадает на кабели, он проявляется в виде напряжения различной величины, но преимущество использования сбалансированного кабеля витой пары состоит в том, что шум передается на кабель одинаково на каждой линии.Например, положительный скачок напряжения 1 В приведет к +1 В на А и +1 В на В. Поскольку дифференциальный приемник вычитает сигналы друг из друга, чтобы получить восстановленный сигнал, он будет игнорировать шум, одинаково показанный на обоих проводах. , Рис. 4. Способность дифференциального приемника игнорировать напряжения, одинаковые на обеих сигнальных линиях, называется подавлением синфазного сигнала.

Рис. 4. Дифференциальный приемник, игнорирующий шум, общий для обоих сигналов.

Одним из других основных преимуществ RS-485 на физическом уровне является спецификация напряжения сигнала.RS-485 не требует использования определенного напряжения на шине, но вместо этого определяет минимально необходимое дифференциальное напряжение, которое представляет собой разницу между напряжениями сигналов A и B. Для шины требуется минимальное дифференциальное напряжение +/- 200 мВ на приемнике, и, как правило, все устройства RS-485 будут иметь одинаковый диапазон входного напряжения, несмотря на передачу при различных напряжениях. Это означает, что любое устройство RS-485 может принимать напряжение в диапазоне от -7 до 12 В, поэтому инженер может спроектировать хост-систему с любым напряжением передачи в этом диапазоне.Это позволяет разработчикам создавать системы RS-485, используя существующие напряжения на плате.

При этом важно проверить спецификации продукта, чтобы убедиться, что устройство поддерживает полный диапазон напряжений стандарта. Например, кодеры RS-485 CUI Devices используют на плате 3,3 В, поэтому они используют передатчик RS-485 3,3 В. Однако они также допускают входное напряжение от 0 до 12 В. Это позволяет им без проблем использовать одну и ту же шину RS-485 при нескольких различных напряжениях передачи от 0 до 12 В, если может быть соблюдено минимальное дифференциальное напряжение +/- 200 мВ. как на приемнике, так и на передатчике.Это особенно важно, потому что с увеличением длины кабеля падает напряжение на сигнальных линиях. Ведущее устройство может передавать с дифференциальным напряжением +/- 1 В, но при большой длине кабеля это напряжение может уменьшаться до +/- 200 мВ, что по-прежнему вполне приемлемо для RS-485, рис. 5.

Рисунок 5: Минимальные уровни сигнала шины RS-485 Рисунок 6: Модель OSI с определенным физическим уровнем

Канальный уровень модели OSI

RS-485 — это дуплексная система связи, в которой несколько устройств на одной шине могут обмениваться данными в обоих направлениях.RS-485 чаще всего используется как полудуплекс, как показано на рисунках выше, только с одной линией связи («A» и «B» как пара). В полудуплексном режиме устройства по очереди используют одну и ту же линию, где хост будет утверждать контроль над шиной и отправлять команду всем остальным устройствам, которые ее слушают. Предполагаемый получатель будет прослушивать его адрес, а затем это устройство подтвердит управление и ответит. И наоборот, в полнодуплексной системе, такой как последовательный периферийный интерфейс (SPI) или универсальный асинхронный приемный передатчик (UART), главные и ведомые устройства могут обмениваться данными одновременно с использованием выделенных входных и выходных линий.

На уровне данных RS-485 обычно использует UART для последовательной связи, где UART хоста управляет и принимает последовательную связь в полнодуплексном режиме. Он подключен к дифференциальному приемопередатчику RS-485, который составляет физический уровень и преобразует сигналы в полудуплексный дифференциальный формат для использования на шине RS-485. Затем хост будет связываться с RS-485 через UART и сообщать трансиверу, когда следует переключаться между передачей и приемом. Подчиненные устройства также будут использовать свой UART таким же образом.

UART, имеющий выделенные линии передачи и приема, позволяет ему работать в полнодуплексном, полудуплексном или даже симплексном режимах, что означает, что данные передаются или поступают только по одной линии. Поскольку RS-485 обычно является полудуплексным, подключенный к нему UART также будет работать в полудуплексном режиме.

Рисунок 7: Общее использование UART для RS-485

Интерфейс UART является асинхронным, что означает, что связь не включает часы. Ведущее и ведомое устройства должны использовать свои собственные внутренние часы, и оба устройства должны знать, с какой тактовой частотой будут передаваться данные.Это отличается от синхронной системы, такой как последовательный периферийный интерфейс (SPI), где одна из сигнальных линий содержит часы, по которым прослушивающее устройство на шине может захватывать данные.

Кроме того, UART обычно имеет нормальный формат, который будет использовать большинство устройств, но многие параметры могут быть настроены для изменения нормы. Состояние ожидания UART — высокое напряжение, поэтому для начала передачи UART использует низкий импульс, называемый стартовым битом, за которым следуют 8 бит данных, и завершается старшим стоповым битом, рисунок 8.

Рисунок 8: Кадрирование данных UART

Хост-процессор будет использовать вывод IO для перевода приемопередатчика RS-485 в режим передачи и будет отправлять байт из линии передачи UART в линию данных (D или DI) приемопередатчика RS-485. . Трансивер преобразует несимметричный битовый поток UART в дифференциальный битовый поток на линиях A и B, рисунок 3. Сразу после того, как данные покидают трансивер, хост переключает режим трансивера на прием. Подчиненная система идентична, это означает, что ведомый приемопередатчик RS-485 принимает входящий поток битов, преобразует его в несимметричный сигнал и отправляет его на ведущее устройство через линию приема UART ведомого устройства.Когда ведомое устройство готово к ответу, оно передает, как первоначально делал хост, в то время как хост теперь получает, Рисунок 9.

Рисунок 9: Хост отправляет команду через шину RS-485, а подчиненное устройство отвечает Рисунок 10: Модель OSI с определенным уровнем канала данных

Сетевой уровень модели OSI

Сетевой уровень имеет дело с фактическим обменом данными между устройствами, которые происходят на шине RS-485. Поскольку RS-485 — это в основном электрическая спецификация, разговор на этом может закончиться, но, поскольку он поддерживает многоточечный режим, необходимо рассмотреть его в модели OSI.

Не существует установленной спецификации для адресации сетевого уровня, но шина RS-485 должна должным образом управляться мастером, чтобы избежать коллизий шины. Коллизии шины возникают, когда несколько устройств пытаются установить связь одновременно, что может быть очень вредным для сети. Когда происходят столкновения, передатчики сталкиваются на обоих концах и, по сути, оба создают короткое замыкание. Это заставляет каждое устройство потреблять большой ток, который может привести к тепловому отключению трансивера.

Чтобы избежать коллизий, мастер управляет шиной и будет звонить на отдельные устройства.Чаще всего это достигается с помощью набора команд, который распознают только определенные устройства, или с помощью определенных адресов для каждого устройства. Поскольку шина является общей для всех устройств, каждое устройство будет видеть команду / адрес, отправляемую мастером, но будет отвечать только тогда, когда это отдельное устройство заявлено.

Рисунок 11: Модель OSI с определенным сетевым уровнем

Уровень приложений модели OSI

Модель OSI — это не набор правил, а скорее модель, которая помогает инженерам характеризовать системы.RS-485 хорошо содержится в первых трех уровнях модели OSI, а фактическая реализация шины описывается на уровне приложений. Этот уровень охватывает адреса или наборы команд, используемые устройствами, а также интерпретацию данных. Он также включает в себя, сколько данных дизайнер может рассчитывать получить обратно, и управление самой шиной.

Например, приложение для кодировщика CUI Devices RS-485 будет хостом, запрашивающим абсолютное положение от устройства.Когда хост отправляет команду положения (адрес) кодировщика, кодировщик отвечает двумя полными байтами. Затем хост расшифровывает эти байты, чтобы понять их абсолютное положение, одновременно определяя, как часто отправлять команды и на какие устройства он хочет их отправлять. Проще говоря, прикладной уровень — это реализация шины RS-485.

Поскольку стандарт RS-485 определяет только физический уровень и уровень канала передачи данных с требованиями адресации, прикладной уровень может принимать различные проприетарные или открытые протоколы связи.Инженеры могут использовать существующие протоколы, такие как Modbus, или определить свои собственные для своего приложения. Например, кодировщики CUI Devices используют очень упрощенную структуру адресации для подтверждения устройств, которая обеспечивает быстрый оборот и минимальное время обработки. Адрес каждого кодировщика — это только шесть старших битов байта, а два младших бита представляют собой команду. Это позволяет кодировщику начать свой ответ после всего лишь одного байта от ведущего, что обеспечивает быстрое время обработки, что имеет решающее значение для приложений управления движением.

Рисунок 12: Полностью определенная модель OSI

Кодеры RS-485 устройств CUI

В энкодерах RS-485

CUI Devices используется протокол быстрого позиционирования, который позволяет энкодеру определять положение в течение байта времени. Как описано выше, этот формат поддерживает 64 уникальных адреса кодировщика. Адрес кодировщика — это 6 старших битов байта, а 2 младших бита — это команда. Эти адреса можно настроить с помощью программного обеспечения AMT Viewpoint ™ CUI Devices и программного модуля. Эти кодировщики имеют различные команды в зависимости от их версии, при этом все устройства поддерживают расширенные команды, такие как сброс или установка нулевого положения.

Рис. 13: Формат адресации кодировщика RS-485 CUI Devices

Абсолютные кодировщики CUI Devices имеют 12-битное или 14-битное разрешение, однако все они отвечают двумя полными байтами на каждый запрос положения.Два полных байта составляют 16 бит, что позволяет кодировщику использовать два старших бита для вычисления контрольной суммы. Эта часть прикладного уровня позволяет хосту проверять данные, передаваемые кодировщиком. Для 12-битных кодеров передача будет иметь контрольные биты в двух верхних битах, при этом два нижних бита будут нулевыми, а 12 промежуточных битов будут содержать данные положения.

Эти абсолютные энкодеры также доступны с многооборотной опорой, чтобы они могли подсчитывать количество оборотов.Это 14-битный счетчик со знаком, и данные передаются так же, как и позиция, с двумя верхними битами, содержащими контрольную сумму. Поскольку счетчик подписан, он может подсчитывать положительные и отрицательные обороты, но за счет одного бита данных. Это означает, что он может считать от -8192 до 8191.

Абсолютные энкодеры

CUI Devices также доступны в высокоскоростной версии, которая работает со скоростью 2 Мбит / с с временем обработки, близким к 3 микросекундам. Однако для приложений, которые не могут удовлетворить требования к высокой скорости и жесткой синхронизации, доступны версии с регулируемой скоростью передачи данных.Эти версии дают пользователям возможность выбирать из списка частот с помощью AMT Viewpoint и программного модуля, что упрощает реализацию, когда нет необходимости в высокой скорости.

Заключение

Поддерживая высокие скорости, большие расстояния кабелей, устойчивость к электрическим помехам и наличие нескольких устройств на одной шине, RS-485 стал популярным последовательным интерфейсом в поворотных энкодерах благодаря своей универсальности в широком диапазоне приложений. Разработчики, желающие использовать кодеры с интерфейсом RS-485, могут извлечь выгоду из понимания деталей, изложенных выше, включая его различные уровни, реализацию и лучшие практики в общесистемной коммуникации.Емкостные абсолютные энкодеры AMT CUI Devices с интерфейсом RS-485, обеспечивающие дополнительную надежность и промышленную надежность, представляют собой интригующий вариант для приложений управления движением благодаря своей высокой точности, низкому потреблению тока и невосприимчивости к загрязнениям окружающей среды.

Дополнительные ресурсы

У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?

Отправьте нам письмо по адресу cuiinsights @ cuidevices.ком

Что такое последовательный порт?

Обновлено: 30.06.2020 компанией Computer Hope

Асинхронный порт на компьютере, используемый для подключения последовательного устройства к компьютеру и способный передавать по одному биту за раз. Последовательные порты обычно идентифицируются на IBM-совместимых компьютерах как COM-порты (коммуникационные). Например, мышь может подключаться к COM1, а модем — к COM2. На рисунке показан последовательный разъем DB9 на кабеле.

Где на компьютере последовательный порт?

Последовательный порт находится на задней панели компьютера и является частью материнской платы.

Примечание

С появлением USB, FireWire и других более быстрых решений последовательные порты используются редко по сравнению с тем, как часто они использовались в прошлом. Кроме того, многие новые компьютеры и ноутбуки больше не имеют последовательного порта.

Определение последовательного порта

На приведенном выше рисунке последовательного порта вы можете заметить, что соединение с последовательным портом DB9 легко идентифицировать.Соединение имеет форму буквы D, представляет собой вилку и имеет 9 контактов.

Для чего используется последовательный порт?

Ниже приведен список различных аппаратных компонентов, которые можно приобрести и использовать с вашим последовательным портом.

Мышь — Одно из наиболее часто используемых устройств для последовательных портов, обычно используется с компьютерами без портов PS / 2 или USB и специальных мышей.
Модем — еще одно широко используемое устройство для последовательных портов. Обычно используется со старыми компьютерами, но также обычно используется из-за простоты использования.
Сеть — Одно из первоначальных применений последовательного порта, которое позволяло двум компьютерам соединяться вместе и позволяло передавать большие файлы между ними.
Принтер — Сегодня это не часто используемое устройство для последовательных портов. Однако часто использовался со старыми принтерами и плоттерами.

Информация о контактах последовательного порта

Ниже приведен список всех контактов разъема DB9, их назначение и название сигнала.

Примечание

На многих компьютерах последовательный порт помечен как « 10101 », что означает единицы и нули для представления двоичного кода.Пользователь также может интерпретировать число «1» как букву «I» и нули как букву «O» и назвать его портом « IOIOI ».

Как показано выше, первый контакт находится в верхней левой части порта, а контакт 9 — в правом нижнем углу.

Примечание

В большинстве современных компьютеров последовательный порт заменен портами USB.

Com-порт, Подключение, Кабель для передачи данных, Термины для оборудования, Термины материнской платы, Параллельный порт, Порт, RS-232, Последовательный

Настройка последовательных интерфейсов — Поваренная книга Cisco IOS, 2-е издание [Книга]

Вы хотите настроить последовательный интерфейс для WAN
связь.

При настройке последовательного интерфейса маршрутизатора необходимо
укажите инкапсуляцию, IP-адрес и наличие интерфейса
будет DCE или DTE:

 Router3 #  настроить терминал 
Введите команды конфигурации, по одной в каждой строке.Закончите CNTL / Z.
Router3 (config) #  интерфейс    Serial1  
Router3 (config-if) #  описание    WAN-соединение с Чикаго  
Router3 (config-if) #  IP-адрес    192.168.99.5 255.255.255.252  
Router3 (config-if) #  инкапсуляция    hdlc  
Router3 (config-if) #  тактовая частота    56000  
Router3 (config-if) #  без выключения 
Router3 (config-if) #  выход 
Router3 (config) #  конец 
Router3 # 

Здесь есть пара чрезвычайно важных команд.
образец конфигурации.Первый устанавливает последовательную инкапсуляцию
протокол. В этом случае мы использовали высокоуровневый элемент управления каналом передачи данных.
(HDLC), который является стандартным протоколом уровня 2.
для синхронных последовательных соединений:

 Router3 (config-if) #  encapsulation    hdlc   

Фактически, HDLC является типом инкапсуляции по умолчанию для синхронного
последовательные интерфейсы на маршрутизаторах Cisco, поэтому мы могли пропустить это
команда. Поскольку это значение по умолчанию, эта команда не отображается в
конфигурация, когда мы показываем конфигурацию:

 Router3 #  show running-config interface    Serial1  
Конфигурация здания...

Текущая конфигурация: 123 байта
!
интерфейс Serial1
 описание WAN-соединение с Чикаго
 IP-адрес 192.168.99.5 255.255.255.252
 тактовая частота 56000
конец

Router3 # 

Если вы предпочитаете использовать другую инкапсуляцию …

В чем разница между последовательными интерфейсами RS-232 и RS-485?

Эта статья появилась в электронном дизайне и была опубликована здесь с разрешения.

Серия: В чем разница: Связь 101

Сегодня используются десятки интерфейсов последовательной передачи данных.Большинство из них были разработаны для конкретных приложений. Некоторые из них стали универсальными, например I ² C, CAN, LIN, SPI, Flex, MOST и I ² S. Затем есть Ethernet, USB и другие высокоскоростные последовательные интерфейсы, такие как FireWire, HDMI и Thunderbolt. . Два самых старых интерфейса — это RS-232 и RS-485. Однако эти устаревшие интерфейсы не устарели и не прекращены. Оба до сих пор живы и здоровы во многих приложениях.

Вся цель последовательного интерфейса — обеспечить единый путь для передачи данных по беспроводной сети или по кабелю.Параллельные шины все еще используются в некоторых приложениях. Но с учетом столь распространенной сегодня высокоскоростной передачи данных последовательный интерфейс является единственным практическим вариантом для связи на любом расстоянии, превышающем несколько футов.

Последовательные интерфейсы могут использоваться для обеспечения стандартизированных логических уровней от передатчиков до приемников, определения среды передачи и разъемов, а также определения времени и скорости передачи данных. В некоторых случаях они могут выполнять преобразование из последовательного в параллельный и из параллельного в последовательный или указывать базовый протокол данных.

Определение логических уровней, среды и соединителей является частью физического уровня (PHY) или уровня 1 сетевой модели взаимодействия открытых систем (OSI). Любые дополнительные функции, такие как обработка данных, являются частью уровня управления доступом к среде (MAC) или уровня 2 модели OSI.

RS-232

Один из самых старых последовательных интерфейсов обычно называется RS-232. Первоначально он был создан в 1962 году как метод подключения оконечного оборудования данных (DTE), такого как электромеханические телетайпы, к оборудованию передачи данных (DCE).На протяжении многих лет его использование включало подключения к видеотерминалам, компьютерам и модемам. Первые персональные компьютеры включали RS-232, называемый последовательным портом, для подключения к принтеру или другому периферийному устройству. Сегодня он по-прежнему широко используется во встроенных системах разработки компьютеров, научных инструментах и ​​всевозможном промышленном контрольном оборудовании.

Официальное название стандарта — Electronic Industries Association / Telecommunication Industries Association EIA / TIA-232-F.Буква F обозначает самую последнюю модификацию и обновление стандарта. Стандарт по существу совпадает со спецификациями V.24 и V.28 Международного союза электросвязи — телекоммуникации (ITU-T).

Стандарт определяет логическую 1 и напряжение от –3 до –25 В и логический 0 как уровень напряжения от +3 до + 25 В (рис. 1). Уровни сигнала обычно называют отметкой для логической 1 и пробелом для логического 0. Напряжения между ± 3 В недопустимы, что обеспечивает огромный запас помехоустойчивости интерфейса.Шумовые напряжения в этом диапазоне отклоняются. В обычной практике уровни логического 0 и 1 обычно составляют от ± 5 В до ± 12 или ± 15 В. Конфигурации передатчика и приемника несимметричные (не дифференциальные) с опорным заземлением.

1. Уровни напряжения определяют логическую 1 или метку и логический 0 или пробелы. Напряжения в пределах ± 3 В недопустимы.

Кабельная среда может быть простой параллельной жилой или витой парой. Длина кабеля определяет максимальную скорость передачи данных и обычно не должна превышать 50 футов.Однако в условиях низкой скорости передачи данных можно использовать кабели гораздо большей длины. Сегодня основная задача — использовать кабель с емкостью между проводами не более 2500 пФ. Это ограничивает верхнюю скорость передачи данных примерно до 20 кбит / с. Из-за низкой скорости передачи данных, используемой с этим интерфейсом, кабель обычно не рассматривается как формальная линия передачи. Линии передачи требуют согласованного импеданса генератора и нагрузки для устранения отражений, вызывающих искажение данных.

Стандарт определяет 25-контактный разъем под названием DB-25, который был разработан для подключения различных линий управления, а также линий передачи и приема последовательных данных.Такие разъемы сегодня используются редко. Вместо этого был определен девятиконтактный разъем под названием DE-9, который сегодня является стандартом де-факто (рис. 2).

2. Популярный разъем DB9 передает показанные сигналы. Цифры — это номера контактов на разъеме.

Первоначально скорость передачи данных для электромеханического оборудования была очень низкой. Минимальная скорость обычно составляла 75 бит / с, но были распространены скорости 150 и 300 бит / с. Сегодня скорость передачи данных определяется протоколом, используемым с интерфейсом, и может достигать 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 за микросекунду). Для коротких кабелей с низкой емкостью скорость передачи данных может достигать нескольких мегабит в секунду с соответствующими драйверами.

Многие соединения RS-232 являются односторонними или симплексными. Однако при использовании специальных доступных сигнальных и управляющих напряжений возможна двусторонняя или полудуплексная работа. Два подключенных устройства попеременно передают и принимают операции.

Управляющие сигналы в интерфейсе определяют протокол для передачи и приема данных. Эти сигналы сообщают двум взаимодействующим устройствам, когда они заняты, передают, готовы и принимают. Передающее устройство — это DTE, такое как компьютер, а принимающее устройство — это DCE, например принтер. Управляющие сигналы, используемые на общем девятиконтактном разъеме:

• Обнаружение носителя данных (DCD): DCE сообщает DTE, что он получает действительный входной сигнал.
• Набор данных готов (DSR): DCE сообщает DTE, 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, что он готов к передаче.
• Передача данных (TD): это переданный сигнал от DTE.
• Готово к отправке (CTS): Эта строка от DCE сообщает DTE, что оно готово к приему данных.
• Терминал данных готов (DTR): Эта линия от DTE к DCE 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 общее заземление для всех сигналов.

На рисунке 3 показаны кабельные соединения от DTE к DCE. Обратите внимание на соединения между выводами линии управления. Сигналы на этих выводах возникают в ответ друг на друга в так называемом процессе управления потоком или «рукопожатия».

3. Это обычное соединение между DTE и устройствами DCE. Обратите внимание на соединения в кабеле от одного разъема к другому.

Хотя формально это не является частью стандарта RS-232, большинство последовательных устройств, использующих этот интерфейс, также используют так называемый универсальный асинхронный приемопередатчик (UART).Эта ИС, обычно отделенная от схем драйвера линии и приемника, реализует базовый протокол связи, который включает передачу до 8 бит за раз. Он выполняет преобразование из последовательного в параллельный и из параллельного в последовательный, добавляя стартовые и стоповые биты, чтобы сигнализировать о начале и конце слова данных, обнаружение битовых ошибок четности и установление скорости передачи данных.

Данные часто представляют собой символы ASCII, но может быть передано любое слово данных длиной до 8 бит (рис. 4). UART обычно можно настроить для обработки слов разного размера (от 5 до 8 бит), добавить 1, 1.5 или 2 стоповых бита и включают в себя нечетные, четные или нулевые биты четности. Можно выбрать скорость передачи данных от 75 бит / с до 115,2 кбит / с.

4. Это сигнал EIA / TIA-232 для передачи 7-битной заглавной буквы ASCII J. Стартовый бит сигнализирует о начале символа. LSB идет первым передатчиком. Включен бит нечетной четности. Передача завершается стоп-битом.

RS-485

Этот интерфейс, также определенный стандартом EIA / TIA, теперь называется TIA-485. Он определяет не только один интерфейс между устройствами, но и коммуникационную шину, которую можно использовать для формирования простых сетей из нескольких устройств.Его конфигурация и характеристики также расширяют диапазон и скорость передачи данных за пределы возможностей интерфейса RS-232.

Стандарт RS-485 определяет дифференциальную сигнализацию по двум линиям, а не по несимметричным, с напряжением относительно земли. Логическая 1 — это уровень больше –200 мВ, а логический 0 — уровень больше +200 мВ. Типичные уровни линейного напряжения от линейных драйверов составляют от минимум ± 1,5 В до максимум примерно ± 6 В. Чувствительность входа приемника составляет ± 200 мВ. Шум в диапазоне ± 200 мВ практически блокируется.Дифференциальный формат обеспечивает эффективное подавление синфазного шума.

Стандартной средой передачи является витая пара сплошного провода №22 или №24 AWG. Минимум две линии, но можно использовать третий опорный провод. Если требуется полнодуплексный режим, можно также использовать четырехпроводные кабели. Кабели могут быть экранированными или неэкранированными, чаще всего неэкранированные. Кабель рассматривается как линия передачи. Номинальное характеристическое сопротивление составляет 100 или 120 Ом. Согласующие нагрузочные резисторы необходимы для обеспечения согласованного состояния линии, что предотвращает отражения, приводящие к ошибкам данных.

Стандарт не определяет конкретных разъемов. Использовались различные способы подключения, в том числе разъем RS-232 DE-9. Простые винтовые клеммные соединения распространены в некоторых типах промышленного управляющего оборудования.

Длина кабеля определяет верхнюю скорость передачи данных. Но из-за более низких уровней логического напряжения и дифференциального подключения 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 высоте 4000 футов составляет 100 кбит / с. Общее правило заключается в том, что произведение длины линии в метрах и скорости передачи данных в битах в секунду не должно превышать 10 ⁸ . Например, 20-метровый кабель обеспечит максимальную скорость передачи данных 5 Мбит / с.

Интерфейс RS-485 может использоваться в симплексном или полудуплексном режимах с однопарным кабелем. Полнодуплексные или одновременные операции передачи и приема могут быть реализованы с помощью двухпарного кабеля. Обычная конфигурация — это шинная сеть с несколькими ответвлениями или соединениями.Стандарт определяет максимум 32 драйвера (передатчики) и 32 приемника (рис. 5). Драйверы линии отключаются от линии, когда не передают. Все приемники полностью подключены, и линия шины оканчивается сопротивлением согласования нагрузки.

5. Это типичная дифференциальная шина TIA-485 с отдельными драйверами (D) и приемниками (R), а также приемопередатчиками. Обратите внимание на конец оконечных резисторов шины.

Стандарт не определяет конкретный протокол связи.Иногда используется стандартный протокол UART. Большинство приложений определяют уникальный протокол.

Варианты интерфейса

На практике иногда встречаются несколько вариаций этих двух стандартов. RS-422 — это вариант RS-485 с аналогичными характеристиками, но рассчитанный только на один драйвер и до 10 приемников. Логические уровни варьируются от ± 2 до ± 6 В. RS-423 представляет собой несимметричный, а не дифференциальный вариант RS-422. В остальном другие характеристики аналогичны интерфейсу RS-485.

Приложения

Стандарт TIA-232 в настоящее время развернут в широком диапазоне приложений ближнего действия с низкой скоростью передачи данных. Он особенно эффективен в оборудовании, используемом в шумной среде, такой как фабрики, заводы управления технологическими процессами и коммунальные предприятия. Длина кабеля обычно не превышает 50 футов. Обычное оборудование включает низкоскоростные модемы, промышленное оборудование управления, такое как программируемые логические контроллеры (ПЛК), станки с числовым программным управлением (ЧПУ), роботы, встроенные управляющие компьютеры, медицинские инструменты и оборудование, а также системы разработки встроенных контроллеров.

Интерфейс TIA-485 также широко используется в промышленных приложениях, где требуются более высокие скорости и большие расстояния. Он используется в том же типе оборудования, что и интерфейс RS-232, а также в таких устройствах, как торговые терминалы (POS), измерительные приборы и большие специальные автоматизированные машины. Сети, определяемые полевыми шинами, такими как Profibus и Modbus, также используют его.

В большинстве нового оборудования используется популярный интерфейс USB. Однако часто бывает необходимо или желательно преобразовать один интерфейс в другой, чтобы обеспечить совместное использование оборудования разных типов и возрастов.Доступны различные конвертеры для преобразования USB в TIA-232 или TIA-485, TIA-232 в TIA 485 или наоборот.

Резюме

В общем, RS-232 лучше всего подходит для коротких расстояний и низкой скорости. Это простой и недорогой, и для построения интерфейса доступно множество компонентов, таких как линейные драйверы и приемники, UART и разъемы. Некоторые драйверы допускают скорость передачи данных до 2 или 3 Мбит / с для коротких линий. Большинство интерфейсных микросхем включают в себя преобразователь постоянного тока с накачкой заряда, который подает положительное и отрицательное напряжение питания, позволяя ИС работать от одной тройки.Питание 3 или 5 В.

RS-485 предназначен для более высоких скоростей в более длинных диапазонах или если требуется возможность дуплексной сети. Опять же, для создания интерфейса доступно множество стандартных частей. Микросхемы имеют драйверы и приемники, которые могут допускать более 32 сбросов, а скорость передачи данных может достигать 40 Мбит / с. Некоторые ИС также включают преобразователи постоянного тока в постоянный для подачи двойного напряжения питания (см. Таблицу).

Серия: В чем разница: Связь 101

Ссылки

Data Transmission Circuits-Line Circuits, Texas Instruments, 1996.Справочник по национальному интерфейсу, National Semiconductor (ныне Texas Instruments), 1996 г.

Что такое последовательный порт в 2019 г.

Основные параметры COM-портов

COM-порт имеет следующие стандартные характеристики:

• Базовый адрес порта ввода / вывода;
• номер IRQ (прерывания);
• Размер одного блока информации;
• Скорость передачи данных;
• Режим определения четности;
• Метод контроля потока;
• Количество стоповых битов.

Каковы преимущества последовательной передачи данных?

• Для последовательной связи требуется меньше проводов, что снижает стоимость интерфейса.
• Он поддерживает передачу данных на большие расстояния.
• Он использует меньшее количество проводов, часто только один, это приводит к простому интерфейсу между передающими и принимающими устройствами или ИС.
• Последовательные протоколы легко реализовать.

Типы последовательных портов

Существует несколько типов интерфейсов передачи данных, каждый из которых предназначен для конкретных приложений на основе необходимого набора параметров и структуры протокола.Последовательные интерфейсы данных включают CAN, RS-232, RS-485, RS-422, I2C, I2S, LIN, SPI и SMBus, но RS-232, RS-485 и RS-422 по-прежнему являются наиболее надежными и распространенными.

RS232 Стандартный. Распиновка последовательного порта

RS-232 — это стандартный протокол связи, используемый последовательными портами для связи компьютера и его периферийных устройств. Этот стандарт описывает процесс обмена данными между телекоммуникационным устройством, например модемом, и компьютерным терминалом. Стандарт RS-232 определяет электрические характеристики сигналов, их назначение, продолжительность, а также размер разъемов и их распиновку.

Также следует отметить, что стандарт RS-232 является протоколом физического уровня и не определяет транспортные протоколы, которые будут использоваться для передачи данных. Транспортные протоколы могут различаться в зависимости от используемого коммуникационного оборудования и программного обеспечения.

Типы последовательных разъемов в компьютере.

Большинство компьютеров, где еще можно найти последовательный порт, имеют 9-контактный штекер DB-9. Разъем DB-9 обычно находится на материнской плате ПК, хотя в старых компьютерах он может быть на специальной мульти-карте, вставленной в слот расширения.Более старая версия последовательного разъема — это 25-контактный DB-25.

В отличие от параллельного порта, разъемы на обеих сторонах последовательного кабеля идентичны. В дополнение к линиям передачи данных последовательный порт содержит несколько служебных линий, по которым некоторая управляющая информация может передаваться между терминалом (компьютером) и телекоммуникационным устройством (модемом). Хотя теоретически для работы последовательного порта достаточно всего трех линий: приема данных, передачи данных и заземления, практика показала, что наличие служебных линий делает связь более эффективной, надежной и быстрой.

Распиновка разъема DB9 по стандарту RS-232 и соответствие выводам разъема DB-25:

GND — Земля, второй (общий) провод для всех сигналов.(Сигналы всегда передаются по двум проводам).

TxD — Transmitted Data, асинхронный канал для отправки последовательных данных.

RxD — Полученные данные, асинхронный канал для приема последовательных данных.

RTS-Request To Send, управляющий сигнал, который сообщает, что у компьютера есть данные для отправки по каналу TxD на конечное устройство.

DTR — Data Terminal Ready, сигнал управления, который сообщает, что компьютер (терминал) готов к взаимодействию с конечным устройством.

CTS — Clear To Send, сигнал управления, который указывает, что оконечное устройство готово принимать данные от терминала по каналу TxD. Обычно этот сигнал устанавливается оконечным устройством после того, как оно получает сигнал RTS = True (запрос передачи) от компьютера и готово к приему данных. Если оконечное устройство не устанавливает сигнал CTS = True, передача по каналу TxD не начнется. Этот сигнал используется для аппаратного управления потоком.

DSR — Data Set Ready, сигнал управления, который сообщает, что конечное устройство выполнило все настройки и готово начать отправку и получение данных с компьютера.

DCD — Data Carrier Detected, управляющий сигнал, который информирует компьютер (терминал) об обнаружении другого терминала, то есть оконечное устройство, например модем, обнаружило другой модем, который хочет инициировать обмен данными между терминалами. Модем устанавливает сигнал DCD = True, который детектируется на входе компьютера (терминала). Если терминал готов к обмену данными, он должен указать свою готовность, установив сигнал DTR = True, после чего начнется обмен данными между двумя терминалами.

RI — индикатор звонка, сигнал, который «сообщает» компьютеру (терминалу), что оконечное устройство принимает сигнал вызова.

Как проверить COM-порт на компьютере

Часто возникает необходимость открыть COM-порт, когда вы ремонтируете компьютер или выполняете диагностику. Кроме того, может потребоваться проверить, работает ли ваш последовательный порт. Сжечь элемент очень просто. Чаще всего COM-порты повреждаются, когда пользователи неправильно отключают устройства.

Самый простой способ проверить работоспособность COM-интерфейса — подключить к нему мышь.Однако это не даст вам полной картины, поскольку манипулятор использует только половину из восьми доступных сигнальных линий. Только с помощью специального программного обеспечения сниффера COM-порта (например, Serial Port Monitor) вы получите возможность тщательно протестировать последовательный порт.