INTERFEJSY SZEREGOWE
Dr inż. Józef Małecki
1
Sterowanie przez Internet
2
Integracja systemów
automatyki
3
Interfejs (1)
Przez system interfejsu należy rozumieć
pewien fizyczny układ, organizujący komunikację
komputera (urzÄ…dzenia) z innym urzÄ…dzeniem
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 realizujÄ…cych
komunikacjÄ™, czyli specjalistyczne oprogramowanie.
4
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.
5
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.
6
Transmisja szeregowa
" Transmisja asynchroniczna
" Transmisja synchroniczna
7
Transmisja szeregowa
" Transmisja asynchroniczna
8
Transmisja szeregowa
" Ramka w transmisja asynchronicznej
9
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
10
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 nazwÄ… 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 z
ródła tego
standardu, przedrostek ten zostanie zastÄ…piony przez  EIA/TIA .
11
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 piÄ…tÄ… jego rewizjÄ™.
" Najbardziej popularnÄ… rewizjÄ… 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.
12
13
Standard RS232
DB25  transmisja synchroniczna
DB9  transmisja asynchroniczna
14
Przemysłowe Sieci Informatyczne
Mirosław Włas
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
urzÄ…dzeniem a peryferyjnymi systemami.
15
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| ).
16
Poziomy napięć definiowane przez RS-232
 0 +5Vdo +15V
 0
+3V
0V
-3V
próg  1
 1
-5Vdo -15V
wejścia
odbiornika wyj. nadajnika
17
Poziomy napięć definiowane przez RS-232
18
ZÅ‚Ä…cza stosowane przy standardzie RS-232
19
Przykłady łączy RS-232:
- transmisja dupleksowa za pomocÄ…
trójprzewodowego kabla
Data
Transmit
TxD
TxD
2
2
Data
Receive
RxD
3 3 RxD
CTS
5 5
CTS
DSR
DSR
6
6
Signal GrouND
7
7 SGND
SGND
8
DCD 8
DCD
20
DTR DTR
20
KOMPUTER
TERMINAL
20
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 synchronizujÄ…cy umieszczony na poczÄ…tku bloku.
" Wykrywanie w urządzeniu odbiorczym znaków synchronizujących
umożliwia prawidłową interpretację przesyłanych danych .
" W praktyce stosuje się różnorodne postacie znaku
synchronizujÄ…cego, sposoby kodowania informacji, organizacji jej
przesyłania itd.
" Zapewnienie prawidłowej współpracy wymaga znajomości tych
ustaleń i dlatego są one zbierane w tzw. protokoły transmisji.
21
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).
22
Struktura ramki danych
asynchronicznej transmisji szeregowej
bit startu bit parzystości bity stopu
bity danych
cisza 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 cisza
1 7 lub 8 1 1lub 2
liczba bitów
23
ZÅ‚Ä…cza wykorzystywane w standardzie RS-232
w transmisji szeregowej
24
Struktura ramki danych
asynchronicznej transmisji szeregowej
25
Struktura ramki danych
asynchronicznej transmisji szeregowej
26
Standard RS232 C - specyfikacja elektryczna
Parametry obwodu
Linie danych
1 logiczne  15V < U1 < -3V
3k om0 logiczne +3V < U1 < +15V
CL < 2500 pF
Linie sterujÄ…ce
EL < 2V
1 logiczne +3V < U1 < +15V
UO < 25V
0 logiczne  15V < U1 < -3V
PrÄ…d zwarcia < 0.5A
RO RL
UO CO U1 CL
EL
y
ródło Obciążenie
Masa
27
Maksymalna długość połączenia (okablowania)
" Całkowitą długość
użytych kabli ( zasięgu
Przewód Cm - pojemność pomiędzy
transmisji )
sygnałowy przewodami;
Cm
determinuje
Cs - pojemność ekran - kabel
gnd
połączeniowy;
dopuszczalna
=2(Cm) dla kabla ekranowanego;
pojemność obciążenia
=0,5(Cm) dla kabla nieekranowanego
Cs
2500pF, wprost
Cs
proporcjonalna do
Całkowita pojemność jednostkowa:
Ekran
długości użytych kabli.
Cc = Cm + Cs
" Na rysunku pokazano
model pojemności
przewodnika interfejsu
na jednostkÄ™ jego
długości
" Maksymalna długość
ok.. 16 m
28
A
Ä…cze prÄ…dowe z optoizolacjÄ…
" 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 rozwiÄ…zanie przedstawione na rysunku, zwane
łączem prądowym. Interfejs pętli prądowej pełni rolę
ekspandera zasięgu zwykłego interfejsu szeregowego RS-232C
oraz zapewnia ochronÄ™ przed wzajemnym uszkodzeniem
połączonych urządzeń, dzięki izolacji galwanicznej.
" A
ącze prądowe ( zwane też: linia prądowa 20 mA ( ang. current
loop ) lub Å‚Ä…czem dalekopisowym TTY ) nie podlega
standardowi.
29
A
Ä…cze prÄ…dowe z optoizolacjÄ…
+12V +12V
+12V +12V
+12V +12V
+12V +12V
+12V +12V
R3
R3
R3
R3
R3
R2
R2
R2
R2
R2
R1
R1
R1
R1
R1
24
24
24
24
24
9 i=20mA
9 i=20mA
9 i=20mA
9 i=20mA
9 i=20mA
25
25
25
25
25
10
10
10
10
10
+12V
+12V
+12V
+12V
+12V
+12V
+12V
+12V
+12V
+12V
R2
R2
R2
R2
R2
R3
R3
R3
R3
R3
R1
R1
R1
R1
R1
9
9
9
9
9
24 i=20mA
24 i=20mA
24 i=20mA
24 i=20mA
24 i=20mA
25
25
25
25
25
10
10
10
10
10
Cyfry przy połączeniach oznaczają numery końcówek
w 25-stykowym złączu DB25.
30
A
Ä…cze prÄ…dowe z optoizolacjÄ…
" 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
Å‚Ä…czu 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 przekraczajÄ…cym 400 V
31
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)
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 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).
33
Standard RS-423A ( CCITT V.10 )
+
NAD.
RT
ODB.
_
_
RT
ODB.
+
NAD.
Schemat zastępczy obwodu niesymetrycznego
34
Standard RS-423A ( CCITT V.10 )
Wymagania nakładane na nadajnik RS-423A:
" impedancja wyjÅ›ciowa nadajnika <50 Wð;
" sygnał wyjściowy monotoniczny w przedziale 0.1 do 0.9 wartości
międzyszczytowej sygnału;
" napięcie wyjściowe przy nieobciążonym wyjściu [+4V - + 6V];
" napiÄ™cie wyjÅ›ciowe przy obciążeniu 450 Wð > 0.9 napiÄ™cia
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.
35
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 dopasowujÄ…cego
do charakterystycznej impedancji linii (typowo skrętka o Zo =
100Wð -120Wð) umieszczonego w najbardziej odlegÅ‚ym miejscu od
nadajnika. Typowa wartość RT = 100 Wð.
" Linia może mieć postać skręconej lub nieskręconej pary
przewodów.
36
Standard RS-422A (CCITT V.11)
+
RT
ODB.
NAD.
_
+
RT
NAD.
ODB.
_
Zrównoważony interfejs cyfrowy
Linia przesyłowa może mieć postać skręconej lub nieskręconej pary
przewodów.
37
Standard RS-422A (CCITT V.11)
Parametry nadajnika:
" impedancja wyjÅ›ciowa nadajnika <100Wð;
" 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.
38
Standard RS-422A (CCITT V.11)
Parametry odbiornika:
" impedancja wejÅ›ciowa >4kWð;
" histereza ~30 mV;
" napięcie progowe na wejściu różnicowym - 200 mV;
" maksymalne wejściowe napięcie różnicowe - 12 V.
39
Standard RS-422A (CCITT V.11)
Parametry linii symetrycznej:
" impedancja charakterystyczna 100 Wð;
" rezystancja szeregowa linii <240 Wð;
" rezystancja wÅ‚aÅ›ciwa przewodów <98 Wð/km;
" pojemność pomiędzy parą przewodów <65 pF/m;
" przesłuch <40dB/150 kHz;
" tłumienie sygnału N/O <6dBV.
40
Standard RS-485
" Standard RS-485 wprowadzono w 1983 roku jako rozwinięcie
standardu RS-422A.
" A
ącze 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.
41
Poziomy sygnałów
w standardzie RS-485
42
Standard RS-485
RT
RT
NAD.
ODB. NAD.
ODB.
ODB.
NAD.
TRANSCEIVER
Wielopunktowy, zrównoważony interfejs cyfrowy zgodny ze
standardem RS-485.
43
Standard RS-485
Właściwości nadajników umożliwiające wielopunktową komunikację:
" jeden nadajnik może sterować do 32 jednostkowych obciążeń
(obwody wprowadzające obciążenie do 1 mA) oraz zastępczą
rezystancjÄ… dopasowujÄ…cÄ… RT = 60 Wð lub wiÄ™kszÄ…;
" prąd upływu nadajnika w stanie wyłączenia nie może przekraczać
100 mðA;
" 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.
44
Standard RS-485
Właściwości odbiorników umożliwiające wielopunktową komunikację:
" rezystancja wejÅ›ciowa >12 kWð;
" zakres napięcia wspólnego na wejściu odbiornika [-7V - 12V];
" czułość wejścia różnicowego 200 mV w całym zakresie napięcia
wspólnego.
45
Parametry przewodu
w standardzie RS-485
46
Tłumienie zakłóceń przemysłowych
w standardzie RS-485
47
Standard RS-485
długość linii
[m]
1200
Linia zakończona
1000
terminatorem
100
Linia nie
terminowana
10
szybkość transmisji
10k 100k 1M 10M [bity/s]
Zależność długości linii transmisyjnej i szybkości transmisji dla
odbiornika linii typu SN75ALS194
48
Standard RS-485
R T
110
R1
R2
PTC
PTC
A B
Z1 Z2
D
12V
12V
6,8V
6,8V
Z3
Z4
4 x BZX85x
R
SN75ALS176
RE
DE
Przykład zabezpieczenia linii transmisyjnej standardu RS-485
49
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).
50