Последовательный асинхронный интерфейс RS-232. Назначение, форматы передачи данных, основные технические характеристики
RS-232 – это название стандарта (RS – recommended standard – рекомендуемый стандарт, 232 – его номер), который был разработан в 60-х годах прошлого века для подключения к компьютеру внешних устройств (принтера, сканера, мыши и др.), а также связи компьютеров между собой. Интерфейс RS-232 разрабатывался для соединения оборудования (устройств) двух видов: терминального и связного. Терминальное оборудование (DTE – Data Terminal Equipment), например, компьютер может посылать или принимать данные по последовательному интерфейсу. Оно как бы оканчивает (terminate) последовательную линию. Связное оборудование (DCE – Data Communication Equipment) понимается как устройство, которое может практически реализовать последовательную передачу данных. Наиболее часто в качестве DCE используется модем, организующий обмен информацией с использованием телефонных линий связи. Возможно также соединение двух DTE-устройств, например, компьютеров непосредственно с помощью интерфейса RS-232 без использования модемов. Стандарт RS-232 описывает виды и параметры сигналов, способы их передачи, типы разъемов.
Разъемы RS-232. Стандарт регламентирует типы применяемых разъемов, что обеспечивает высокий уровень совместимости аппаратуры различных производителей. Применяются 25-контактный разъем DB-25 или более компактный 9-контактный вариант DB-9.
Сигналы RS-232. Стандарт предусматривает асинхронный и синхронный режимы обмена, но в настоящее время практически используется только асинхронный, тем более, что COM-порты поддерживают только асинхронный режим. В интерфейсе имеются две линии сигналов последовательных данных: TxD – передаваемые и RxD – принимаемые, а также несколько линий сигналов управления: RTS и CTS – первая пара квитирования, DTR и DSR – вторая пара квитирования, DCD и RI – сигналы состояния модема. Имеется общий провод SG - сигнальное заземление и линия PG – защитное заземление (корпус).
В интерфейсе используется метод передачи сигналов с несимметричными передатчиками и приемниками. Соединение передатчика и приемника приведено на рис. 1, где приняты следующие условные обозначения: T (Transmitter) – передатчик; R (Receiver) – приемник; TI (Transmitter Input) – цифровой вход передатчика; RO (Receiver Output) – цифровой выход приемника; UT – линейное напряжения на выходе передатчика и UR – на входе приемника.
Рис. 1. Соединение передатчика и приемника в интерфейсе RS-232
Каждый сигнал, который передается по линиям, появляется на интерфейсном разъеме как напряжение относительно общего провода (сигнальной земли SG). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазоне от -15 до -5 В для представления логической 1 и в диапазоне от +5 до +15 В для представления логического 0. Хотя по стандарту RS-232 максимальное напряжение логических уровней сигналов на выходе передатчиков может быть ±15 В, а на входах приемников даже ±25 В, на практике оно не превышает величин ±12 В. Это объясняется тем, что коммуникационные COM-порты персональных компьютеров используют стандартное двухполярное напряжение ±12 В от собственного блока питания.
Форматы передачи данных. В интерфейсе RS-232 используется асинхронный метод передачи последовательных данных. В отсутствие передачи сообщений линии данных находятся в состоянии логической 1 (напряжение на контактах TxD и RxD равно -12 В). Сообщения передаются кадрами. Каждый кадр состоит из стартового бита, битов данных, бита паритета и стоповых битов. Старт-бит всегда имеет уровень логического 0. Количество битов данных по стандарту может быть 5, 6, 7 и 8. Чаще всего используются 8 или 7 битов (семибитный формат применяется для передачи символов в коде ASCII). Количество стоп-битов: 1 или 2. Стоповые биты всегда имеют уровень логической 1. В кадре может быть необязательный контрольный бит паритета – проверки на четность или нечетность. Биты данных передаются, начиная с младшего. Скорость передачи в RS-232 может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с. Очень важно, чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковы (допустимое расхождение – не более 10%). Синхронизация генератора приемника осуществляется в момент поступления старт-бита из линии связи от передатчика.
Для преобразования параллельных данных в последовательные и наоборот, а также формирования служебных битов для асинхронной передачи, устройства, подключаемые к интерфейсу RS-232, должны иметь модуль универсального асинхронного приемопередатчика UART. Этот модуль работает, как правило, с сигналами ТТЛ-уровней. Для преобразования этих сигналов в уровни интерфейса RS-232 и наоборот используются специальные микросхемы преобразователей уровней, называемые передатчиками и приемниками.
Соединение устройств интерфейса. Стандарт RS-232 предполагает непосредственное соединение контактов разъемов устройств DTE и DCE. Если аппаратура DTE, например, два компьютера подключаются без модемов, то их разъемы соединяются между собой нуль-модемным кабелем, который обеспечивает перекрестное соединение контактов входов и выходов устройств. При этом возможно несколько вариантов подключения. На рис. 2,а приведено соединение с полным протоколом квитирования. Оно требует 7 проводов кабеля. На рис. 2,б приведен пример нуль-модемного соединения, которое требует только трех проводов кабеля для дуплексного (двустороннего) обмена данными. В этой схеме соединения не используются линии для передачи управляющих сигналов. Для того, чтобы устройства могли передавать данные по интерфейсу, их выходы RTS соединяются со своими входами CTS, а выходы DTR – со своими входами DSR и DCD. Таким образом, оба устройства DTE-1 и DTE-2 всегда будут готовы к передаче. Практически это обстоятельство может привести к потере передаваемых данных из-за неготовности принимающего устройства. Поэтому необходимы специальные методы для управления передачей данных или, по-другому, управления потоком данных.
Рис. 2. Соединение компьютеров нуль-модемным кабелем:
а) - с полным протоколом квитирования; б) - без сигналов квитирования
Управление потоком данных означает возможность остановить, а после этого возобновить передачу данных без их потери. Могут использоваться два варианта протокола: аппаратный и программный.
Аппаратный протокол управления потоком обычно использует пару сигналов квитирования RTS/CTS. При этом контакт RTS разъема одного устройства соединяется с контактом CTS разъема другого устройства.
Программный протокол управления потоком заключается в посылке принимающей стороной специальных символов останова передачи XOFF (обычно код 13h) и возобновления передачи XON (код 11h). При этом предполагается наличие двунаправленного канала обмена данными. Работу этого протокола можно описать следующим образом. Передающее устройство посылает данные на контакт своего разъема TxD, а приемное принимает их с контакта RxD своего разъема. Если приемное устройство не может принимать данные, то оно посылает на линию связи (контакт TxD) байт-символ XOFF. Передатчик, приняв этот символ с контакта RxD, останавливает передачу. Затем, когда принимающее устройство снова становится готовым к приему данных, оно посылает байт-символ XON. Приняв его, передающее устройство возобновляет передачу. Преимущество программного протокола заключается в отсутствии необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса – минимальный кабель для двустороннего обмена может иметь только 3 провода (см. рис. 2,б).
Длина соединительного кабеля. Длина кабеля влияет на максимальную скорость передачи информации. Стандарт RS-232 определяет максимальную длину стандартного кабеля 15 метров при скорости передачи 19200 бит/с. При уменьшении скорости передачи длина кабеля может быть существенно увеличена. Например, при скорости 2400 бит/с длина кабеля может достигать 300 м. В то же время, для максимальной скорости передачи 115000 бит/с длина кабеля не должна превышать 5 м.
Достоинства интерфейса RS-232: большой парк работающего оборудования, использующего этот стандарт; простота и дешевизна соединительного кабеля; простота и доступность программного обеспечения для работы с интерфейсом.
Недостатки интерфейса: невысокая скорость обмена; малая длина соединительного кабеля; невысокая помехоустойчивость; интерфейс предназначен для соединения, как правило, только двух устройств (передатчика и приемника).