Последовательные низкоскоростные интерфейсы

Последовательный интерфейс для передачи данных использует сигнальные линии, по которым информационные биты передаются друг за другом последовательно. Такой способ передачи определяет название интерфейса и порта, его реализующего. Эти названия соответствуют английским терминам Serial Interface и Serial Port. Последовательные интерфейсы можно разделить на низкоскоростные, среднескоростные и высокоскоростные. К низко и среднескоростным относятся такие интерфейсы, как RS-232C, его разновидности RS-423A, ИРПС, промышленные интерфейсы RS-422A, RS-485А, CAN. Последовательный интерфейс на физическом уровнеможет иметь реализации, отличающиеся способами передачи электрических сигналов. Для первой группы интерфейсов существует ряд родственных международных стандартов: RS-232C, RS-423A, RS-422A и RS-485. На рис. 4.12. приведены схемы соединения приемников и передатчиков и показаны их параметры.

Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS-423A и увеличивает помехозащищенность. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS-422A и его сетевая (шинная) реализация RS-485, работающая на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов.

До недавнего времени в PC широко использовался простейший из последовательных интерфейсов – стандарт RS-232C.

Рис.4.12. Физическая реализация последовательного интерфейса

В промышленной автоматике широко применяется RS-485, а также RS-422A, встречающийся и в некоторых принтерах. Существуют относительно несложные преобразователи сигналов для согласования всех этих родственных интерфейсов.

Последовательная передача данных может осуществляться как в асинхронном, так и синхронном режимах. Формат асинхронной передачи отличается структурой кадра (Рис. 4.13.).

Рис.4.13.Формат асинхронной передачи

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена. Практический интерес представляют скорости 9600 и выше: 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Применяется и дополнительный ряд, значения скорости которого формируются из составляющих основного ряда, например 9600 + 4800 = 14400 и т.д.

Интерфейс RS-232C обеспечивает обмен данными аппаратуры, передающей или принимающей данные, или с аппаратурой каналов данных. В роли аппаратуры, передающей данные, может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли аппаратуры каналов данных обычно (но не обязательно) выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух устройств.

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов, а также режимы обмена: асинхронный и синхронный. СОМ -порты же поддерживают толькоасинхронный режим.Стандарт RS-232C использует несимметричные передатчики и приемники – сигнал передается относительно общего провода – земли. Интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице соответствует уровень напряжения на входе приемникав диапазоне -12...-3В. Логическому нулю соответствует напряжение в диапазоне +3...+12 В. Между уровнями -3...+3В имеется зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения соответствующего порога. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5В и +5...+12В для представления единицы и нуля соответственно. Разность потенциалов между потенциалом земли соединяемых устройств должна быть менее 2В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов.

Для интерфейса RS-232C специально выпускаются микросхемы приемников и передатчиков двух полярного сигнала. Часто эти схемы входят прямо в состав интерфейсных БИС. Это удешевляет изделие, экономит место на плате. Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов, что обеспечивает высокий уровень совместимости аппаратуры различных производителей. Назначение сигналов интерфейса RS-232C приведено в табл.4.3.

Таблица 4.3.

Сигнал	Назначение
PG	Защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
SG	Сигнальная земля, относительно которой действуют уровни сигналов
TD	Выход передатчика
RD	Вход приемника
RTS	Выход запроса передачи данных: состояние "включено" уведомляет модем о наличии данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением – состояние "включено" является сигналом на переключение в режим передачи
CTS	Вход. Сигнал разрешения передавать данные. Сигнал используется для аппаратного управления потоками данных
DTR	Выход. Сигнал готовности к обмену данными.
DSR	Вход. Сигнал готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала)
DCD	Вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема
RI	Вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова

Для управления потоком данных могут использоваться два варианта протокола – аппаратный и программный.

Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS использует сигнал CTS, который позволяет остановить передачу данных, если приемник не готов к их приему. Работу этого протокола иллюстрирует рис.4.14. Передатчик передаёт очередной байт только при включенном состоянии линии CTS. Передачу байта остановить сигналом CTS невозможно, что гарантирует целостность посылки. Аппаратный протокол обеспечивает самую быструю реакцию передатчика на состояние приемника. Обычно микросхемы асинхронных приемопередатчиков имеют не менее двух регистров в приемной части – сдвигающий и хранящий, из которого принятый байт считывается. Это позволяет реализовать обмен с аппаратным протоколом без потери данных, не прибегая к программной буферизации.

Рис.4.14. Аппаратное управление потоком

Аппаратный протокол удобно использовать при подключении принтеров и плоттеров, если они поддерживают этот режим.

Если аппаратный протокол не используется, то при непосредственном соединении у передающего устройства должно быть обеспечено состояние ”включено” на линии CTS.

Программный протокол управления потоком XON/XOFF предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Работает он следующим образом: если приемник обнаруживает причины, по которым он не может принимать данные, то но по обратному последовательному каналу посылает байт-символ XOFF. Передатчик, приняв этот символ, приостанавливает передачу. Далее, когда приемник снова становится готовым к приему данных, но посылает символ XON, приняв который передатчик возобновляет передачу.

Недостаток: большое время реакции передатчика на изменение состояния приемника поскольку требуется время для передачи символа (XON или XOFF) плюс время реакции программы передатчика на прием символа (рис.4.15.). Из этого следует, что данные без потерь могут приниматься только приемником, имеющим дополнительный буфер принимаемых данных и сигнализирующим заблаговременно о неготовности.

Преимущество программного протокола при непосредственном соединении устройств заключается в отсутствии, необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса и минимальное количество проводов для двустороннего обмена (3 провода).

Третьим недостатком, кроме требования наличия буфера и большего времени реакции, является сложность реализации полнодуплексного режима обмена. В этом случае из потока принимаемых данных должны выделяться и обрабатываться символы управления потоком, что ограничивает набор передаваемых символов.

Рис.4.15. Программное управление потоком XON/XOFF

Интерфейс RS -485 (другое название – EIA / TIA – 485) один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи для промышленного применения, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи с максимальной скоростью передачи до 10 Мбит/с. 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 витой пары проводников. Характеристики стандарта приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4

Стандартные параметры интерфейса RS 485	Значения
Допустимое число передатчиков/приемников	32/32
Максимальная (МАХ) длина кабеля	1200 м
МАХ скорость связи	10 Мбит/с
Диапазон напряжений, соответствующих логической "1"	+1,5…+6 В
Диапазон напряжений, соответствующих логическому "0"	-1,5…-6 В
Диапазон синфазного напряжения передатчика	-1…+3 В
Допустимый диапазон входных напряжений приемника	-7…+12 В
Пороговый диапазон чувствительности приемника	+/- 200 мВ
МАХ ток короткого замыкания выходного усилителя	250 мА
МАХ время нарастания сигнала передатчика (% от бит. интервала)

Допустимое сопротивление нагрузки передатчика не должно превышать 54 Ом, а входное сопротивление приемника составляет 12 кОм.

Стандарт не нормирует формат информационных кадров и протокол обмена. Наиболее часто используются те же фреймы, что и в интерфейсе RS -232 C: стартовый бит, биты данных, бит паритета (если нужен),стоповые биты.Протоколы обмена в большинстве работают по принципу ”ведущий” - ”ведомый”. Одно устройство на магистрали является ведущим(maste r) и инициирует обмен посылкой запросов подчиненным устройствам (slave), которые различаются логическими адресами. Одними из популярных сетевых протоколов, работающих ”поверх” RS -485, являются ProfiBus DP, ModBUS.

К интерфейсам низкой и средней призводительности можно отнести интерфейс IrDA. Хотя инфракрасный интерфейс беспроводной, он имеет много общего с протоколом RS -232 C. Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на расстояние, достигающее нескольких метров. Инфракрасная связь – IR (Infra Red) Connection – безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивают конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров, им оснащают многие современные малогабаритные устройства: карманные компьютеры (PDA), мобильные телефоны, цифровые фотокамеры и т.п.

Различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные – для обмена файлами между компьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекционный аппарат и т. п. Ожидаются более высокие скорости обмена, которые позволят передавать «живое видео».

В настоящее время действует стандарт систем инфракрасной передачи данных (Infrared Data Association) IrDA 1.1, наряду с которым существуют и собственные системы фирм Hewlett Packard – HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red) и фирмы Sharp – ASK IR (Amplitude Shifted Keyed IR). Эти интерфейсы обеспечивают следующие скорости передачи:

- IrDA SIR (Serial Infra Red), HP-SIR – 9,6–115,2 Кбит/с;

- IrDA HDLC, известный и как IrDA MIR (Middle Infra Red) – 0,576 и 1,152 Мбит/с;

- IrDA FIR (Fast Infra Red) – 4 Мбит/с;

- ASK IR – 9,6–57,6 Кбит/с.

Интерфейс IrDA (Infra red Data Assotiation) позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля при помощи ифракрасного (ИК)-излучения с длиной волны 880nm. Порт IrDA позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии до 1 метра в режиме точка-точка. Интерфейс IrDA использует узкий ИК-диапазон (850–900 nm с 880nm "пиком") с малой мощностью потребления, что позволяет создать недорогую аппаратуру и не требует сертификации FCC (Федеральной Комиссии по Связи).

Устройство инфракрасного интерфейса подразделяется на два основных блока: преобразователь (модули приемника-детектора и диода с управляющей электроникой) и кодер-декодер. Блоки обмениваются данными по электрическому интерфейсу, в котором в том же виде транслируются через оптическое соединение, за исключением того, что здесь они пакуются в кадры простого формата – данные передаются 10-разрядными кадрами, включающими 8двоичных разрядов данных, одним старт-битом в начале и одним стоп-битом в конце данных.Порт IrDA основан на архитектуре коммуникационного СОМ-порта персонального компьютера (ПК), который использует универсальный асинхронный приемо-передатчик UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) и работает со скоростью передачи данных 2400– 115200 bps (бит в секунду).Связь в IrDA полудуплексная, т.к. передаваемый ИК-луч неизбежно засвечивает соседний PIN -диодный усилитель приемника. Воздушный промежуток между устройствами позволяет принять ИК-энергию только от одного источника в данный момент. Архитектура порта IrDA представлена на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Архитектура порта IrDA

Передающая часть. Байт, который требуется передать, посылается в блок UART из микропроцессора командой ввода-вывода (запись). UART добавляет старт-стоп биты и передает символ последовательно, начиная с младшего значения бита. Стандарт IrDA требует, чтобы все последовательные биты кодировались таким образом: логический "0" передается одиночным ИК-импульсом длиной от 1.6мкс до 3/16 периода передачи битовой ячейки, а логическая "1" передается как отсутствие ИК-импульса (рис. 4.17). Минимальная мощность потребления гарантируется при фиксированной длине импульса 1.6мкс. По окончании кодирования разрядов необходимо возбудить один или несколько ИК- светодиодов током соответствующего уровня, чтобы выработать ИК-импульс требуемой интенсивности. Стандарт IrDA требует, чтобы интенсивность излучения в конусе ± 30° была в диапазоне 40–50

m W/Sr (милливатт/ Стерадиан), причем ИК-светодиод должен иметь длину волны 880nm, как уже отмечалось ранее.

Радиальная чувствительность приемника и длины связи диктуются, исходя из требований самой спецификации IrDA.

Приемная часть. Переданные ИК-импульсы поступают на PIN -диод, преобразующий импульсы света в токовые импульсы, которые усиливаются, фильтруются и сравниваются с пороговым уровнем для преобразования в логические уровни.

Рис. 4.17. Формат пакета для IRDA

ИК-импульс в активном состоянии генерирует "0", при отсутствии света генерируется логическая "1". Протокол IrDA требует, чтобы приемник точно улавливал ИК- импульсы мощностью от 4mW/sm² до 500mW/sm² в угловом диапазоне ± 15°.

Для ИК-излучения cуществует два источника интерференции (помех), основным из которых является солнечный свет, но к счастью в нем преобладает постоянная составляющая. Правильно спроектированные приемники должны компенсировать большие постоянные токи через PIN -диод. Другой источник помех – флуоресцентные лампы – часто применяются для общего освещения. Хорошо спроектированные приемники должны иметь полосовой фильтр для снижения влияния таких источников помех. Вероятность ошибок связи будет зависеть от правильного выбора мощности передатчика и чувствительности приемника. В IrDA выбраны значения, гарантирующие, что описанные выше помехи не будут влиять на качество связи.

Стандарт IrDA включает в себя стек (взаимосвязанный набор) протоколов трех согласованных обязательных уровней: IrPL (Physical Layer), IrLAP (Link Access Protocol) и IrLMP (Link Management Protocol).

Физический уровень (Physical Layer). Спецификация этого протокола устанавливает стандарты для Ir -трансиверов, методов модуляции и схемы кодирования/ декодирования, а также ряд физических параметров. Стандарт предусматривает использование длины волны в диапазоне 850–900 nm. Для стандарта IrDA (скорость передачи данных 115.2Kбит/с) схема кодирования аналогична используемой в традиционной UART: бит старта ("0") и стоп-бит ("1") добавляются перед и после каждого байта соответственно. Но вместо схемы NZR (Non-Return to Zero) используется кодировка, подобная RZ (Return to Zero), т.е. двоичный "0" кодируется единичным импульсом, а "1" – его отсутствием. Кадры отделяются друг от друга байтами Escape - последовательности, содержащимися в теле самого кадра. Для определения ошибок (EDt – Error Detection) используется 16 - разрядная циклическая контрольная сумма. Например, уже в стандарте IrDA 1.1 для протокола обмена 1.152Mбит/с (синхронизация выполняется как в протоколе HDLP – High-level Data Link Protocol высокого уровня) и 4Mбит/с (использование 4-PPM – Pulse-Phase Modulation) старт-бит и стоп-бит не применяются. Так, фреймы, получаемые от более высокоуровневого протокола IrLAP, встраиваются в поле данных фреймов SIR, согласно используемому методу кодирования. Стандарт не содержит обязательных вариантов реализации этой процедуры и допускает варьирование алгоритмов в зависимости от возможностей конкретного оборудования. В зависимости от скорости соединения предлагаются методы кодирования: асинхронный (ASYNC, 9600–115200 бит/с), синхронный (HDLC, 0.576–1.152 Mбит/с) и 4- PPM (4Mбит/с.).

Программный протокол. Он включает в себя: IrLAP (Link Access Protocol), занимающийся разбиением данных на блоки, контролем ошибок и другими функциями низкого уровня, и IrLMP (Link Management Protocol), позволяющий по одной ИК-линии обмениваться данными между несколькими приложениями. Данный протокол базируется на существующих стандартах асинхронной полудуплексной передачи данных HDLC и SDLC. Инфракрасная технология поддерживает только однонаправленную передачу информации, поэтому, вследствие полудуплексной природы SIR, возникла архитектура с одним главным (первичным) и множественными подчиненными (вторичными) устройствами.

Схема обращения устройств представляет собой обычный протокол обмена данными, где есть фазы запросов (Request) и ответов (Response). Так, первичное устройство отвечает за организацию соединения, обработку ошибок, и посланные им фреймы называются управляющими (Command Frames), а пакеты вторичных устройств именуются ответными (Response Frames). Обмен информацией идет только с первичным устройством, которое всегда выступает инициатором соединения, однако его роль может играть любое из устройств, поддерживающих необходимые для этого функции. По желанию может быть включен протокол транспортного уровня, позволяющий осуществлять контроль передачи между приложениями в случае одновременной работы нескольких приложений на одной физической линии. Для разных уровней имеется три интерфейса. Служебные примитивы уровня LM-SVC позволяют одному из устройств IrDA узнать какие сервис и протоколы зарегистрированы на другом устройстве. Примитивы доступа к уровню M-SVC управляют режимом связи, открытием и закрытием независимых соединений между клиентами, а так же отправкой и приемом данных. Интерфейс L-SVC дает доступ к функциям протокола IrLAP.

Устройства, соответствующие стандарту IrDA, перед началом передачи должны в первую очередь попытаться выявить (прочитать) нет ли в ближайшей окрестности активности в ИК-диапазоне, установить не ведется ли какая-либо передача в пределах его досягаемости. Если такая активность обнаружена, то программе, выдающей запрос, посылается соответствующее сообщение, а сам блок откладывает передачу. Поскольку оба соединяющихся устройства могут быть компьютерами (а не компьютер и принтер, или клавиатура, мышь), то любое из них может быть ведущим. Выбор зависит от того, какое устройство первым проявит инициативу.

Каждое устройство имеет 32- разрядный адрес, вырабатываемый случайным образом при установлении соединения. Каждому кадру в пределах соединения ведущее устройство при старте присваивает 7- разрядный адрес соединения. Для возможных, но нежелательных случаев, когда два устройства имеют одинаковый адрес, предусмотрен такой механизм, когда ведущее устройство дает команду всем подчиненным устройствам изменить их адреса. В процессе установления связи два устройства "договариваются" о максимальной скорости, с которой они оба могут работать. Все первичные передачи, выполняемые до фазы переговоров, по умолчанию ведутся на скорости 9.6Kбит/ c.

Максимальный квант передачи может быть равен 100, 200 или 500 ms. Он представляет собой максимальное время, в течение которого устройство передает данные до того, как перейдет к прослушиванию подтверждения приема и зависит от скорости передачи, емкости буфера в принимающем устройстве.

Минимальная длительность передачи определяется неспособностью передающего устройства перейти к приему данных сразу после выдачи последнего бита. Дело в том, что усилитель PIN -диода в передающем устройстве входит в состояние насыщения от собственной передачи. Время восстановления приемника – переменная величина, составляющая 0.001–10 ms. Этот параметр для данного устройства должен быть заранее известен и учитывается в фазе переговоров об установлении соединения. Процедуры расширенного восстановления включают в себя функцию сброса, которая прерывает связь, но потом восстанавливает активное состояние с параметрами соединения, используемые по умолчанию.