1

INTERFEJSY SZEREGOWE

Dr inż. Józef Małecki

2

Sterowanie przez Internet

3

Integracja systemów

automatyki

4

Interfejs (1)

Przez system interfejsu należy rozumieć

pewien fizyczny układ, organizujący komunikację

komputera (urządzenia) z innym urządzeniem
zewnętrznym.

Takimi urządzeniami zewnętrznymi (peryferyjnymi)

mogą

być: skanery, drukarki, modemy, wszelkiego

rodzaju przyrządy pomiarowe, dla których komputer
jako całość

pełni rolę

kontrolera, sterując ich pracą.

Integralną

częścią

tego układu musi być

system

procedur i funkcji, programowo realizujących
komunikację, czyli specjalistyczne oprogramowanie.

5

Interfejs

(2)

Wymiana danych pomiędzy komputerem a

urządzeniami (lub pomiędzy dwoma urządzeniami)
realizowana jest przez tzw. kanał

transmisyjny,

którego właściwości zależą

od jego fizycznej formy.

Wszelkie dane mogą

być

przesyłane za

pośrednictwem przewodów, kabli światłowodowych
czy fal radiowych.

W interfejsach szeregowych dane przesyłane są

szeregowo bit po bicie.

6

Interfejs

(3)

Do najważniejszych standardów interfejsów realizujących
transmisję

szeregową

należy:

•

RS232C

i jego rozwinięcia:

•

RS422,

•

RS423,

•

RS449,

•

RS485.

Standard RS w podstawowej wersji wymaga trzech
przewodów do realizacji transmisji -

dwóch sygnałowych

i

jeden przewód masy.

7

Transmisja szeregowa

•

Transmisja asynchroniczna

•

Transmisja synchroniczna

8

Transmisja szeregowa

•

Transmisja asynchroniczna

9

Transmisja szeregowa

•

Ramka w transmisja asynchronicznej

10

Rodzaje połączeń łącza szeregowego

•

Połączenie szeregowe pomiędzy dwoma obiektami

•

Simpleks

– przesyłanie danych

pomiarowych bez sterowania

układem pomiarowym

•

Półdupleks

–

przesyłanie

naprzemienne, albo nadawanie
albo odbiór

•

Dupleks

–

przesyłanie

równoczesne, nadawanie i odbiór

11

System interfejsu szeregowego RS-232

•

Popularny szeregowy standard komunikacyjny, objęty specyfikacją

EIA/TIA-232-E.

•

Interfejs, nad którym nadzór objęły instytucje normalizacyjne EIA

(ang. Electronic Industries Association ) oraz

TIA ( ang.

Telecommunications

Industry

Association

), jest jednak bardziej

popularny pod nazwą RS-232, gdzie „RS” oznacza standard

rekomendowany (ang. Recommended

Standard ).

•

W pełni zgodny z normami zawartymi w zaleceniach V.24, V.28

rekomendowanymi przez CCITT oraz z ISO IS2110.

•

W najbliższym czasie, w celu lepszej identyfikacji źródła tego

standardu, przedrostek ten zostanie zastąpiony przez „EIA/TIA”.

12

System interfejsu szeregowego RS-232

•

Oficjalna nazwa standardu EIA/TIA-232-E to:
„Interfejs pomiędzy

DTE

i

DCE

dla szeregowej wymiany danych

cyfrowych, (ang. Interface Between

Data Terminal Equipment

and

Data Circuit

-Termination Equipment

Employing Serial Binary Date

Interchange).
Jak z nazwy wynika interfejs jest prostym i uzgodnionym standardem

komunikacyjnym dla danych pomiędzy urządzeniem nadrzędnym (

DTE

)

i peryferyjnymi systemami (

DCE

).

•

Standard EIA/TIA-232-E, który został wprowadzony w 1962 roku, był

aktualizowany od tego czasu czterokrotnie, poprzez wprowadzanie

nowych wymagań, lepiej dopasowujących go do aplikacji dla

szeregowej komunikacji.

Litera „

E

” w nazwie standardu oznacza

piątą

jego rewizję.

•

Najbardziej popularną rewizją jest rewizja „

C

” (RS-232C), wprowadzona

w 1969 roku, która ujednoliciła i rozpowszechniła standardy

mechaniczne i elektryczne tego interfejsu oraz EIA/TIA-232-D

zaakceptowana w roku 1986, która zwiększyła maksymalną

dopuszczalną pojemność obciążenia do poziomu 2500pF (dla RS-232C

typowo 150pF ) wydłużając tym samym maksymalną długość

połączenia.

13

14

Przemysłowe Sieci Informatyczne

Mirosław Włas

Standard RS232

DB25 –

transmisja synchroniczna

DB9 –

transmisja asynchroniczna

15

Specyfikacja RS-232

•

RS-232 jest „kompletnym” standardem. Zamierzeniem interfejsu jest

zagwarantowanie zgodności pomiędzy nadrzędnym systemem i

peryferyjnymi systemami za pośrednictwem następujących

specyfikacji:

–

wspólnych napięciowych i sygnałowych poziomów;

–

wspólnej konfiguracji wyprowadzeń przewodów;

–

minimalnych kosztów kontroli informacji pomiędzy nadrzędnym

urządzeniem a peryferyjnymi systemami.

16

Właściwości elektryczne RS-232

•

Grupa elektrycznych właściwości RS-232, zgodna z

parametrami elektrycznymi Zalecenia V.28, zawiera

specyfikacje poziomów napięć, szybkości zmian poziomów

sygnałów oraz impedancje linii.

•

Definiuje dwa poziomy napięć ramek:
ujemne napięcie

(-3V...-15V)

reprezentuje logiczną

„1”

dodatnie napięcie

(+3V...+15V)

reprezentuje logiczne

„0”

.

•

Nadajniki zgodne ze standardem zawierają poziomy napięć

wyjściowych z zakresu ( |5V| -

|15V| ).

17

Poziomy napięć definiowane przez RS-232

+3V

-3V

0V

-5Vdo -15V

+5Vdo +15V

wyj. nadajnika

próg
wejścia
odbiornika

„1”

„0”

„0”

„1”

18

Poziomy napięć definiowane przez RS-232

19

Złącza stosowane przy standardzie RS-232

20

Przykłady łączy RS-232:

-

transmisja dupleksowa za pomocą

trójprzewodowego kabla

KOMPUTER

TERMINAL

2

3

2

3

TxD

RxD

RxD

Receive

Data

Signal

GrouND

Transmit

Data

5

6

7

8

20

20

8

7

6

5

CTS

DSR

SGND

DCD

DTR

DTR

DCD

SGND

DSR

CTS

TxD

21

Transmisja synchroniczna

•

Transmisja synchroniczna polega na przesyłaniu dużych bloków

danych przy rezygnacji z bitów określających początek i koniec

znaku.

•

Poszczególne bity wyprowadzane są zgodnie z taktem nadawania.

•

Grupowanie bitów w znaki po stronie odbiorczej umożliwia

specjalny znak synchronizujący umieszczony na początku bloku.

•

Wykrywanie w urządzeniu odbiorczym znaków synchronizujących

umożliwia prawidłową interpretację przesyłanych danych .

•

W praktyce stosuje się różnorodne postacie znaku

synchronizującego, sposoby kodowania informacji, organizacji jej

przesyłania itd.

•

Zapewnienie prawidłowej współpracy wymaga znajomości tych

ustaleń i dlatego są one zbierane w tzw. protokoły transmisji.

22

Transmisja asynchroniczna

•

Asynchroniczna transmisja szeregowa polega na przesyłaniu

pojedynczych znaków, które posiadają ściśle określony format tzw.

ramkę

, zwaną też

SDU

(ang.

serial data unit

).

•

Ramka właśnie, a nie pojedynczy bit danych jest najmniejszą porcją

przekazywanej jednorazowo przez łącze informacji. Jak widać na

rysunku na ramkę składają się oprócz właściwych bitów danych,

znacznik początku ramki (bit startu), bit kontroli parzystości i

znacznik końca ramki (bit stopu).

•

Czas trwania jednego bitu ramki jest ściśle uzależniony od

uzgodnionej prędkości transmisji.

•

Bit kontrolny jest najczęściej bitem parzystości, którego stan określa

się według jednej z dwóch zasad:

1) kontrola parzystości (ang. even

parity),

2) kontrola nieparzystości (ang. odd

parity).

23

Struktura ramki danych

asynchronicznej transmisji szeregowej

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1

7 lub 8

1

1lub 2

liczba bitów

bit startu

bity danych

bit parzystości

bity stopu

cisza

cisza

24

Złącza wykorzystywane w standardzie RS-232

w transmisji szeregowej

25

Struktura ramki danych

asynchronicznej transmisji szeregowej

26

Struktura ramki danych

asynchronicznej transmisji szeregowej

27

Standard RS232 C -

specyfikacja elektryczna

Parametry obwodu
3k om<R

L

<7k om

C

L

< 2500 pF

E

L

< 2V

U

O

< 25V

Prąd zwarcia < 0.5A

U

O

E

L

R

O

R

L

C

O

C

L

Masa

U

1

Linie danych
1 logiczne –15V < U

1

< -3V

0 logiczne +3V < U

1

< +15V

Linie sterujące
1 logiczne +3V < U

1

< +15V

0 logiczne –15V < U

1

< -3V

Źródło

Obciążenie

28

Maksymalna długość połączenia (okablowania)

•

Całkowitą długość

użytych kabli ( zasięgu

transmisji )

determinuje

dopuszczalna

pojemność obciążenia

2500pF, wprost

proporcjonalna do

długości użytych kabli.

•

Na rysunku pokazano

model pojemności

przewodnika interfejsu

na jednostkę jego

długości

•

Maksymalna długość

ok.. 16 m

C

m

C

s

C

s

Ekran

Przewód
sygnałowy

gnd

Całkowita pojemność jednostkowa:

C

c

= C

m

+ C

s

C

m

- pojemność pomiędzy

przewodami

;

C

s

- pojemność ekran - kabel

połączeniowy;
=2(C

m

) dla kabla ekranowanego;

=0,5(C

m

) dla kabla nieekranowanego

29

Łącze prądowe z optoizolacją

•

Niewielki zasięg transmisji w standardzie RS232 (ok.. 16 m)

sprawia, że nie nadaje się on do przesyłania danych na większe

odległości.

•

Przy transmisji na duże odległości niezbędne jest wyrównanie

potencjałów obu stron złącza, aby stłumić sygnały zakłócające.

Zakłócenia te mogą się pojawić jako efekt płynięcia prądu w

linii masy.

•

Poprawne jest rozwiązanie przedstawione na rysunku, zwane

łączem prądowym. Interfejs pętli prądowej pełni rolę

ekspandera zasięgu zwykłego interfejsu szeregowego RS-232C

oraz zapewnia ochronę przed wzajemnym uszkodzeniem

połączonych urządzeń, dzięki

izolacji galwanicznej

.

•

Łącze prądowe ( zwane też:

linia prądowa

20 mA

( ang. current

loop

) lub łączem dalekopisowym TTY ) nie podlega

standardowi.

30

Łącze prądowe z optoizolacją

R1

R3

R2

R2

R3

R1

+12V

+12V

+12V

+12V

i=20mA

i=20mA

9

10

24

25

24

25

9

10

Cyfry przy połączeniach oznaczają numery końcówek

w 25-stykowym złączu DB25.

R1

R3

R2

R2

R3

R1

+12V

+12V

+12V

+12V

i=20mA

i=20mA

9

10

24

25

24

25

9

10

R1

R3

R2

R2

R3

R1

+12V

+12V

+12V

+12V

i=20mA

i=20mA

9

10

24

25

24

25

9

10

R1

R3

R2

R2

R3

R1

+12V

+12V

+12V

+12V

i=20mA

i=20mA

9

10

24

25

24

25

9

10

R1

R3

R2

R2

R3

R1

+12V

+12V

+12V

+12V

i=20mA

i=20mA

9

10

24

25

24

25

9

10

31

Łącze prądowe z optoizolacją

•

W interfejsie pętli prądowej zrezygnowano ze wszystkich

sygnałów kontrolnych, charakterystycznych dla RS-232 i

pozostawiono tylko dwie pary przewodów dla transmisji i

odbioru danych ( TxD, RxD

).

•

Format danych ma taką samą postać jak w asynchronicznym

łączu RS-232C przeznaczonym do transmisji znakowej.

•

Jedynkę logiczną

reprezentuje przepływ prądu 20 mA,

zero

brak przepływu prądu.

•

Dopuszczalna szybkość transmisji wynosi 9,6 kbit/ s przy

długości linii transmisyjnej dochodzącej do 4 000 m i napięciu

optoizolacji nie przekraczającym 400 V

32

Standard RS-423A ( CCITT V.10 )

•

Standard RS-423A określa elektryczną charakterystykę

napięciowego obwodu transmisyjnego złożonego z

niesymetrycznego nadajnika oraz symetrycznego

(różnicowego) odbiornika.

•

Typowa prędkość transmisji w standardzie RS-423A wynosi

100 kbit/ s przy odległości do 30 m i spada do 3 kbit/ s przy

1200 m.

•

Jeden nadajnik może współpracować z kilkoma odbiornikami

(do 10)

33

Standard RS-423A ( CCITT V.10 )

•

Standard RS-423A określa elektryczną charakterystykę

napięciowego obwodu transmisyjnego złożonego z

niesymetrycznego nadajnika oraz symetrycznego

(różnicowego ) odbiornika.

•

Typowa prędkość transmisji w standardzie RS-423A wynosi

100 kbitów

/s przy odległości do 30 m i spada do 3 kbitów

/s

przy 1200 m.

•

Jeden nadajnik może współpracować z kilkoma odbiornikami

(do 10).

34

Standard RS-423A ( CCITT V.10 )

Schemat zastępczy obwodu niesymetrycznego

R

T

R

T

NAD.

ODB.

ODB.

NAD.

+

_

+

_

35

Standard RS-423A ( CCITT V.10 )

Wymagania nakładane na nadajnik RS-423A:

•

impedancja wyjściowa nadajnika <50

;

•

sygnał wyjściowy monotoniczny w przedziale 0.1 do 0.9 wartości

międzyszczytowej

sygnału;

•

napięcie wyjściowe przy nieobciążonym wyjściu [+4V -

+

6V];

•

napięcie wyjściowe przy obciążeniu 450



>

0.9 napięcia

wyjściowego przy nieobciążonym wyjściu;

•

prąd zwarciowy na wyjściu <150 mA;

•

normy nakładają również wymagania na wartości przepięć, czasy

narastania i opadania, szybkość zmian napięci na wyjściu, prąd

upływu na wyjściu i inne.

36

Standard RS-422A (CCITT V.11)

•

Jest rozwiązaniem dla szybkiej transmisji na duże odległości

dzięki pełnej symetryzacji

złącza. Rozpowszechniane od 1975

roku jako interfejs dla danych od nadrzędnych systemów

komputerowych.

•

Różnicowy nadajnik, dwuprzewodowy zrównoważony tor

przesyłowy oraz odbiornik o różnicowym obwodzie wejściowym

zapewnia prędkość transmisji od 100 kbit/s do 10 Mbit/s, w

zależności od długości linii transmisyjnej.

•

Standard wymaga stosowania terminatora RT dopasowującego

do charakterystycznej impedancji linii (typowo skrętka o Zo

=

100



-120

) umieszczonego w najbardziej odległym miejscu od

nadajnika. Typowa wartość RT = 100

.

•

Linia może mieć postać skręconej lub nieskręconej

pary

przewodów.

37

Standard RS-422A (CCITT V.11)

Zrównoważony interfejs cyfrowy

Linia przesyłowa może mieć postać skręconej lub nieskręconej

pary

przewodów.

R

T

R

T

NAD.

ODB.

ODB.

NAD.

+

_

+

_

38

Standard RS-422A (CCITT V.11)

Parametry nadajnika:

•

impedancja wyjściowa nadajnika <100

;

•

czas narastania zboczy <10% czasu trwania elementu

informacyjnego;

•

w zakresie 0,1 do 0,9 wartości międzyszczytowej

sygnału

różnicowego, zbocza monotoniczne;

•

zapewnienie napięcia w zakresie 2,0 V minimalne do 6,0 V

maksymalne.

39

Standard RS-422A (CCITT V.11)

Parametry odbiornika:

•

impedancja wejściowa >4k

;

•

histereza ~30 mV;

•

napięcie progowe na wejściu różnicowym -

200 mV;

•

maksymalne wejściowe napięcie różnicowe -

12 V.

40

Standard RS-422A (CCITT V.11)

Parametry linii symetrycznej:

•

impedancja charakterystyczna 100

;

•

rezystancja szeregowa linii <240

;

•

rezystancja właściwa przewodów <98

/km;

•

pojemność pomiędzy parą przewodów <65 pF/m;

•

przesłuch <40dB/150 kHz;

•

tłumienie sygnału N/O <6dBV.

41

Standard RS-485

•

Standard RS-485 wprowadzono w 1983 roku jako rozwinięcie

standardu RS-422A.

•

Łącze RS-485 jest symetryczne i zrównoważone, przy czym

dopuszcza nie tylko podłączenie do wspólnej linii wielu

odbiorników, ale i nadajników.

•

Nadajniki muszą być trójstanowe, w danym przedziale czasu

może nadawać tylko jedno urządzenie, a pozostałe muszą

znajdować się w stanie wysokiej impedancji.

•

Maksymalna długość magistrali wynosi 1 200 m i może być

zwiększona do 4 800 m po zastosowaniu wzmacniaczy.

42

Poziomy sygnałów

w standardzie RS-485

43

Standard RS-485

Wielopunktowy, zrównoważony interfejs cyfrowy zgodny ze

standardem RS-485.

R

T

R

T

NAD.

ODB.

ODB.

NAD.

ODB.

NAD.

TRANSCEIVER

44

Standard RS-485

Właściwości nadajników umożliwiające wielopunktową komunikację:

•

jeden nadajnik może sterować do 32 jednostkowych obciążeń
(obwody wprowadzające obciążenie do 1 mA) oraz zastępczą
rezystancją dopasowującą RT = 60



lub większą;

•

prąd upływu nadajnika w stanie wyłączenia nie może przekraczać
100

A;

•

nadajnik powinien zapewnić różnicowe napięcie wyjściowe z
przedziału [-1.5V -

5V] przy obecności napięcia wspólnego z

zakresu [-7V -

12V];

•

nadajniki muszą mieć zabezpieczenie przed kolizją, jednoczesne
nadawanie przez więcej niż jeden nadajnik nie może uszkodzić
nadajnika.

45

Standard RS-485

Właściwości odbiorników umożliwiające wielopunktową komunikację:

•

rezystancja wejściowa >12 k

;

•

zakres napięcia wspólnego na wejściu odbiornika [-7V -

12V];

•

czułość wejścia różnicowego 200 mV

w całym zakresie napięcia

wspólnego.

46

Parametry przewodu

w standardzie RS-485

47

Tłumienie zakłóceń przemysłowych

w standardzie RS-485

48

Standard RS-485

Zależność długości linii transmisyjnej i szybkości transmisji dla

odbiornika linii typu SN75ALS194

długość linii
[m]

szybkość transmisji

[bity/s]

1200
1000

100

10

10k

100k

1M

10M

Linia zakończona
terminatorem

Linia nie
terminowana

49

Standard RS-485

Przykład zabezpieczenia linii transmisyjnej standardu RS-485

D

R

D E

R E

A

B

S N 7 5 A L S 1 7 6

R

T

R 2

R 1

P T C

P T C

Z 1

Z 2

Z 3

Z 4

1 2 V

1 2 V

6 ,8 V

6 ,8 V

4 x B Z X 8 5 x

1 1 0

50

Protokoły komunikacyjne standardu RS-485

Do najbardziej popularnych możemy zaliczyć protokoły:

–

Profibus,

–

Modbus,

–

P-Net,

–

Bitbus,

–

Dinbus

oraz protokoły mogące współpracować opcjonalnie:

•

LONTALK,

•

protokół sieci CAN.

Ważniejsze parametry wybranych protokołów przedstawiono w

tabeli (3).