2. Interfejsy szeregowe
2. Interfejsy szeregowe
Wśród interfejsów szeregowych istnieje podział na interfejsy przewodowe i bezprzewodowe.
Przykładem interfejsu przewodowego jest RS-232 oraz jego pochodneRS-422, RS-423 i RS-
485, a także USB. Do interfejsów bezprzewodowych zalicza się sterowany podczerwienią
IrDA oraz radiowy Bluetooth.
2.1. Interfejs RS-232
Standard RS-232 (Recommended Standard 232) zdefiniowany został w 1962 roku. Po udo-
skonaleniach dokonanych w roku 1969 nadano mu nazwÄ™ RS-232C. Norma z zaleceniami
CCITT zawiera dwa dokumenty: V.24 - Obwody połączeniowe, V.28-Parametry elektryczne.
Zdefiniowano w niej elektryczne i mechaniczne parametry połączenia między terminalem
DTE (Data Terminal Equipment), modemem DCE (Data Communication Equipment). Dla
uproszczenia można powiedzieć, że terminal (np. komputer) stanowi z
ródło danych (zwykle
ciąg znaków binarnych). Modem pracuje jako konwerter danych, przetwarzając je do postaci
sygnału odpowiedniego dla kanału komunikacyjnego (np. linii telefonicznej). Po drugiej stro-
nie kanału znajduje się odbiornik, również zwany modemem, który z powrotem przetwarza
dane z postaci analogowej do postaci akceptowanej przez terminal odbiorczy (ciąg znaków
binarnych). Uproszczona struktura systemu z komunikacjÄ… szeregowÄ… przedstawiona jest na
rysunku 2.1.
RS-232 KANAA
KOMUNIKACYJNY RS-232
DCE
DCE
DTE
DTE
S2 S1 S2
Rys.2.1 Uproszczona struktura systemu z komunikacjÄ… szeregowÄ…: DTE - Data Terminal Equ-
ipment, DCE (Data Communication Equipment), S1  sprzęg telekomunikacyjny, S2 
sprzęg bezpośredniego połączenia
Przyjęto następujące oznaczenia:
DTE - (Data Terminal Equipment)  Terminal (urządzenie końcowe dla danych),
DCE - Data Communication Equipment - Modem (urzÄ…dzenie komunikacyjne dla danych)
S1  sprzęg telekomunikacyjny - transmisja danych na duże odległości,
2-1
2. Interfejsy szeregowe
S2  sprzęg bezpośredniego połączenia - szeregowy transfer danych na odległość do 15 m.
Seria 100 - obwody ogólnego przeznaczenia (przesyłanie danych, sygnałów synchronizują-
cych, sterujących, masa sygnałowa, masa ochronna),
Seria 200  obwody automatycznego nawiązania połączenia.
2.2. Opis standardu RS-232C
Standard RS-232 obejmuje interfejs działający między terminalem i modemem w trybie sze-
regowej transmisji danych. Norma pozostawia dużą dowolność projektantowi w zakresie re-
alizacji sprzętowej, jak i protokołów transmisyjnych. Wraz z upływem czasu interfejs ten był
adaptowany do różnorakich zastosowań w sensie sprzętowym jak: komputery osobiste, dru-
karki, sterowniki programowalne, a przede wszystkim przyrzÄ…dy pomiarowe. Niestety, RS-
232 ma cały szereg wewnętrznych  słabości , które eliminują go z użycia w zakresie transmi-
sji danych w przemysłowych systemach pomiarowo-kontrolnych. W konsekwencji, opraco-
wanych zostało szereg odmian tego standardu określanych wspólnym symbolem RS jak: RS-
423, RS-422 oraz RS-485.
Interfejs RS-232C obejmuje 21 obwodów (spośród dostępnych 49) do przesyłania danych,
sygnałów synchronizujących, sterujących, masy sygnałowej i masy ochronnej. Wszystkie
linie magistrali są jednokierunkowe. Typowe złącza używane w standardzie RS-232C to
CANNON 25P (25  stykowe) oraz CANNON DB9 (9  stykowe).
Współpraca między urządzeniami DTE i DCE w zakresie sprzęgu bezpośredniego połącze-
nia zobrazowana jest na rys. 2.2.
1 PG
PG 1
2 TxD
TxD 2
3 RxD
RxD 3
4 RTS
RTS 4
5 CTS
CTS 5
6 DSR
DSR 6
7 SG
SG 7
8 DCD
DCD 8
20 DTR
DTR 20
22 RI
RI 22
DCE
DTE
Rys.2.2 Współpraca między urządzeniami DTE i DCE
2-2
2. Interfejsy szeregowe
Poniżej, w tabeli, zamieszczono wykaz wszystkich linii sprzęgu (MAGISTRALA RS-232C):
linie danych LDA kanał podstawowy:- TxD, RxD
kanał powrotny:-STxD, SRxD
linie sterujÄ…ce LST DSR, DTR, RST, CTS, DCD, CG, CH/CI, RI
linie synchronizacji LSY DA, DB, DD
linie masy LMA
Znaczenie symboli jest następujące:
TxD (2)  dane nadawane przez DTE,
RxD (3) - dane odbierane przez DTE (nadawane przez DCE),
DSR - gotowość DCE do pracy (brak przeszkody do transmisji, oczekiwanie na dalsze sygna-
Å‚y sterujÄ…ce).
DTR - gotowość DTE do pracy (brak przeszkody do transmisji, oczekiwanie na dalsze sygna-
Å‚y sterujÄ…ce),
RST - żądanie nadawania: DTE DCE,
CTS - gotowość odbioru: DCEDTE, (DCE  gotowość do odbioru danych z DTE),
DCD - poziom sygnału odbieranego (DCE prawidłowo odbiera sygnał z kanału, wykryta czę-
stotliwość nośna),
CG - jakość sygnału odbieranego (przy współpracy z modemem: DCEDTE, transmisja
danych bez błędów,
CH/CI - wybór szybkości transmisji z dwu możliwych,
RI - wskaz
nik wywołania DCEDTE, DCE odbiera sygnał z oddalonego DCE,
DA - podstawa czasu z DTE: rytm z DTE,
DB - podstawa czasu z DCE: nadawanie (TxD) przez DTE danych w rytmie zegara pocho-
dzÄ…cego z DCE,
DD - elementowa podstawa czasu z DCE, odbieranie przez DTE danych z RxD w rytmie ze-
gara z DCE.
W systemach informacyjno-pomiarowych nie wykorzystuje siÄ™ transmisji synchronicznej,
stąd nie stanowi ona przedmiotu rozważań niniejszego podręcznika. Obraz jednostki informa-
cyjnej dla przypadku transmisji asynchronicznej przedstawiony jest na rysunku 2.3.
POCZ
TEK
KONIEC
S 0 1 2 3 4 5 6 7 K P P
S  START K  KONTROLA P - STOP
Rys.2.3 Obraz jednostki informacyjnej dla przypadku transmisji asynchronicznej w RS-232
Dane w trybie synchronicznym przesyłane są w  paczkach po 5,6,7 lub 8 bitów. Najbar-
dziej powszechne jest wykorzystanie standardu 7-bitowego z kodem ASCII. Stosowane szyb-
kości transmisji mogą przybierać wartości: 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 oraz 19200
2-3
2. Interfejsy szeregowe
bit/s (bodów). Nadawca i odbiorca pracują z tą samą częstotliwością. Maksymalna odległość
między terminalem i modemem wynosi 15m.
Na rysunku 2.4 przedstawiono przebiegi czasowe sygnałów występujących na liniach
interfejsu podczas nadawania i odbioru.
DSR
DTR
RTS
CTS
TxD
DCD
RxD
Nadawanie: DTE DCE Odbiór: DCE DTE
Rys.2.4 Przebiegi czasowe sygnałów na liniach interfejsu podczas nadawania i odbioru
Chronologia przebiegów sugeruje możliwość ograniczenia liczby użytych linii. Złagodzenia
i uwagi do warunków objętych normą RS-232C wypisano poniżej:
Nie jest konieczne wykorzystanie wszystkich linii, minimum stanowi para: TxD, RxD.
Wejściowe linie sterowania: CTS, DCD, DSR, RI  mogą być zwierane ze sobą,
Wyjściowe linie sterowania TS, DTR nie mogą być zwierane,
Uwaga!  jest możliwość wystąpienia braku kompatybilności przy podmianie urządzeń.
Wprowadzanie uproszczeń w połączeniach nacechowane jest specyfiką konkretnego zasto-
sowania. Pierwsze z nich, określane symbolicznie mianem komputer-modem, przedstawiono
na rys. 2.5.
PG 1
1 PG
TxD 2 2 TxD
RxD 3
3 RxD
RTS 4 4 RTS
CTS 5 5 CTS
DSR 6 6 DSR
SG 7 7 SG
DCD 8 8 DCD
DTR 20 20 DTR
RI 22 22 RI
DTE DCE
PC modem
Rys.2.5 Połączenie uproszczone komoputer-modem
2-4
2. Interfejsy szeregowe
W przypadku połączenia dwu dowolnych urządzeń, np. dwu komputerów, wymagane jest
użycie trybu z dwoma terminalami, bez modemu. W tym przypadku, każdy z komputerów
widzi po drugiej stronie łącza pozorny modem (rys. 2.6, 2.7), którym w rzeczywistości jest
drugi komputer.
DCE
DTE DTE
Rys.2.6 Model współpracy między dwoma terminalami  pozorny modem
PG 1 1 PG
TxD 2 2 TxD
RxD 3 DTE B
DTE A 3 RxD
RTS 4 4 RTS
CTS 5 5 CTS
DSR 6 6 DSR
SG 7 7 SG
DCD 8 8 DCD
PC PC
DTR 20 20 DTR
Rys.2.7 Połączenia w układzie współpracy między dwoma terminalami
Dwa kolejne przykłady połączeń uproszczonych, powstałych na bazie modelu opisanego wy-
żej, przedstawiono na następnych rysunkach. Przypisano im symboliczne nazwy: model ze-
rowy ze sterowaniem transmisjÄ… (rys. 2.8) oraz modem zerowy bez sterowania transmisjÄ…
(rys. 2.9).
2-5
2. Interfejsy szeregowe
PG 1 1 PG
TxD 2 2 TxD
RxD 3 3 RxD
CTS 5 5 CTS
DSR 6 6 DSR
SG 7 7 SG
DCD 8 8 DCD
DTR 20 20 DTR
MODEM ZEROWY ZE
STEROWANIEM TRANS.
DTE DTE
Rys.2.8 Schemat połączeń modemu zerowego ze sterowaniem transmisją
PG 1 1 PG
TxD 2 2 TxD
RxD 3 3 RxD
CTS 5 5 CTS
DSR 6 6 DSR
SG 7 7 SG
DCD 8 8 DCD
DTR 20 20 DTR
MODEM ZEROWY BEZ
DTE DTE
STEROWANIA TRANS.
Rys.2.9 Schemat połączeń modemu zerowego bez sterowania transmisją
2.3. Pętla prądowa
W celu powiększenia zasięgu standardu RS-232C, w trybie modemu zerowego bez sterowa-
nia transmisją, stosuje się tzw. pętlę prądową (rys. 2.10).
2-6
2. Interfejsy szeregowe
Pętla prądowa
z izolacjÄ… galwanicznÄ…
TxD 2 2 TxD
RxD 3 3 RxD
Rys.2.10 Schemat poglądowy połączeń modemu zerowego z pętlą prądową
Schemat ideowy połączeń realizujących pętlę prądową przedstawiony jest na rys. 2.11.
Rys.2.11 Schemat ideowy połączeń pętli prądowej
Poszczególne elementy układu pętli prądowej można umieścić wewnątrz standartowych
obudów typu DB 25 lub DB 9. Zasilanie pobierane jest z linii DTR lub RTS - utrzymywanych
w stanie aktywnym. Zasięg, jaki uzyskuje się w standardzie RS-232 po zastosowaniu pętli
prądowej, wynosi 4000m przy szybkości transmisji 9600 bit/s.
2.4. Standard RS-423A
Standard RS-423A ma obwód transmisyjny zawierający: niesymetryczny nadajnik i syme-
tryczny odbiornik oraz parę przewodów: sygnałowy i powrotny. Takie rozwiązanie daje moż-
liwość znacznej poprawy parametrów i tak np.: dla szybkości 3kb/s otrzymuje się zasięg do
2-7
2. Interfejsy szeregowe
1200m, a dla szybkości 100kb/s już tylko 30m. Schemat połączeń dla tego standardu przed-
stawiony jest na rys. 2.12.
Rys.2.12 Schemat połączeń standardu RS4-23A
Praktyczny schemat połączeń z użyciem  skrętki przedstawiony jest na rys.2.13.
Rys.2.13 Praktyczny schemat połączeń w standardzie RS-423A
2.5. Standard RS-422A
Interfejs RS-422A ma w pełni symetryczny, zrównoważony obwód transmisyjny: różnicowy
nadajnik N, różnicowy odbiornik O. Obydwa przewody oraz dołączone do nich obwody
nadawczy i odbiorczy, majÄ… takÄ… samÄ… impedancjÄ™ w odniesieniu do masy jak i do innych
2-8
2. Interfejsy szeregowe
przewodów. Dopuszczalna szybkość transmisji w tym standardzie zmienia się w granicach od
100 kb/s ÷ 10 Mb/s, zależnie od odlegÅ‚oÅ›ci. Schemat poÅ‚Ä…czeÅ„ dla tego standardu pokazany
jest na rys. 2.14.
Rys.2.14 Schemat połączeń dla standardu RS-422
2.6. Standard RS-485
Interfejs RS-485 ma również w pełni symetryczny, zrównoważony obwód transmisyjny, ale
można do niego dołączyć wiele nadajników i odbiorników, pracujących w trybie adresowym.
Schemat obwodu transmisyjnego ilustrujący możliwą różnorodność połączeń zamieszczono
na rys. 2.15. Zrównoważenie (dopasowanie) toru transmisyjnego zrealizowane jest za pomocą
rezystorów RP= RK = 60&!. Można też dokonać zrównoważenia tego obwodu w odniesieniu
do masy.
2-9
2. Interfejsy szeregowe
Rys.2.15 Schemat połączeń obwodu transmisyjnego RS485
Oczywiście nadajniki muszą mieć możliwość  wejścia w stan wysokiej impedancji. Za po-
mocą pojedynczego nadajnika można wysterować co najwyżej 32 odbiorniki.
2.7. Uniwersalny interfejs szeregowy USB
Interfejs USB (Universal Serial Bus) to nowoczesny szeregowy interfejs umożliwiający
współpracę komputera z urządzeniem zewnętrznym. Magistrala USB zawiera czterożyłowy
kabel (dwużyłowa linia zasilająca i dwużyłowa linia sygnałowa). Maksymalny zasięg to 15m,
przy szybkości transmisji 12Mb/s. W unowocześnionej wersji USB 2.0 te parametry wynoszą
odpowiednio: 15m i 480Mb/s.
Standardowo, za pośrednictwem tego interfejsu do komputera podłączyć można mysz, kla-
wiaturÄ™, skaner, drukarkÄ™, twardy dysk, modem czy aparat cyfrowy. Ostatnio, coraz szersze
zastosowanie znajduje USB w systemach pomiarowych. Wiedzie w tym prym najbardziej
wrażliwa na nowości firma National Instruments. W jej ofercie znajdują się już: karta (moduł)
zbierania danych DAQPad-6020E, moduł portów cyfrowych DAQPad-6507, oscyloskop cy-
frowy NI 5102 oraz rejestrator temperatury NI4350.
Podstawową zaletą magistrali USB jest łatwość podłączania urządzeń - bez konieczności
wyłączania ich zasilania. Druga zaleta to łatwość rozbudowy - koncentratory dołączone do
pojedynczego gniazda. Możliwe jest jednoczesne podłączenie do komputera aż 127 urządzeń.
Przykład użycia łącza USB do obsługi przyrządu pomiarowego, pokazano na rys. 2.16.
2-10
2. Interfejsy szeregowe
USB
Rys.2.16 A
Ä…cze USB
2.8. Interfejsy bezprzewodowe
2.8.1 Interfejs na promieniowanie podczerwone IrDA
A
Ä…cze na promieniowanie podczerwone typu IrDA (nazwa pochodzi od Stowarzyszenia,
które zainicjowało prace nad standardem: Infrared Data Association). A
ącze umożliwia wy-
mianę danych między (tylko) dwoma urządzeniami na odległość do 1m, przy założeniu, że
urządzenia znajdują się we wzajemnym polu widzenia (rys. 2.17). Układ elektroniczny, który
realizuje łączność składa się zwykle z dwu układów scalonych. Jeden z nich zawiera diodę
emisyjną i fotodiodę w połączeniu ze stosownymi układami wzmacniaczy. Drugi zaś zawiera
układy cyfrowe kodujące sygnały pochodzące z UART.
INFRA RED
Rys.2.17 A
Ä…cze IrDA
Podstawowe parametry łącza to, poza wymienionym już zasięgiem, szybkość transmisji
2.4kb/s , długość fali promieniowania podczerwonego od 850 do 900nm. Transmisja danych
odbywa siÄ™ w trybie asynchronicznym typu  semiduplex . Powszechne wykorzystanie tego
łącza w systemach pomiarowych umożliwia konwerter RS-232/IrDA.
2-11
2. Interfejsy szeregowe
2.8.2 Interfejs radiowy Bluetooth
Bluetooth to nowoczesny interfejs bezprzewodowy - radiowy. Umożliwia budowanie sys-
temu, w którym urządzenia nie są fizycznie połączone miedzy sobą. Zasięg interfejsu wynosi
10m (z możliwością zwiększenia do 100m), pasmo częstotliwości pracy od 2.4020 do 2.4835
GHz, a maksymalna szybkość transmisji 1Mb/s (rys. 2.18). Jest to pasmo ISM nie wymagają-
ce licencji.
BLUETOOTH
RF
Rys.2.18 A
Ä…cze Bluetooth
Z założenia, łącze Bluetooth miało umożliwiać komunikację między komputerem, a takimi
urządzeniami jak telefon komórkowy, mysz, drukarka, skaner, słuchawki itp. Jak się łatwo
domyśleć nowoczesne przyrządy pomiarowe mogą być wyposażane w Bluetooth. Interfejs ten
ma zastąpić znane już łącze IrDA. Przewaga Bluetooth nad IrDA polega na tym, że może on
łączyć w sieć (piconet) kilka urządzeń (do 8-miu) pracujących na różnych kanałach. Każdemu
urządzeniu przyporządkowany jest adres w postaci 32-bitowego słowa o nazwie BDA (Blu-
etooth Device Address). Kodowanie binarne sygnału przesyłanego odbywa się metodą klu-
czowania częstotliwości FSK (Frequency Shift Keying). Jedno z urządzeń w sieci pełni rolę
nadrzędną (master), a pozostałe podrzędną (slave). Komunikacja odbywa się w trybie semi-
dupleks. W danej chwili nadajnik przesyła dane tylko do jednego odbiornika.
Zalety interfejsu bezprzewodowego tego typu, w kontekście systemów pomiarowych, są ła-
twe do przewidzenia. Brak kabli i złączy usuwa problemy standaryzacji oraz zużywania me-
chanicznych styków. Jest możliwość transmisji danych z obiektu ruchomego, otwierająca
drogę do pomiarów za pomocą bardziej dokładnych czujników stykowych.
2-12