Одним из старейших, но все еще популярных протоколов связи, которые используются в промышленности и коммерческих продуктах, является протокол связи RS232. Термин RS232 означает «Recommended Standard 232» и представляет собой тип последовательной связи, используемый для передачи данных обычно на средние расстояния. Он был представлен еще в 1960-х годах и нашел свое применение во многих приложениях, таких как компьютерные принтеры, устройства автоматизации производства и т. д. Сегодня существует множество более современных протоколов последовательной связи, таких как RS485, SPI, I2C, CAN и т. д. В этой статье мы рассмотрим основы протокола RS232, принципы его работы и характеристики.
Что такое последовательная связь?
В телекоммуникациях процесс последовательной отправки данных по компьютерной шине называется последовательной связью, что означает, что данные будут передаваться побитно. При параллельной связи данные передаются в виде байта (8 бит) или символа по нескольким линиям данных или шинам одновременно. Последовательная связь медленнее параллельной, но используется для более длительной передачи данных из-за более низкой стоимости и практических соображений.
Пример для понимания:
Последовательная связь — вы стреляете по мишени из пулеметов, при этом пули одна за другой долетают до цели.
Параллельная связь — вы стреляете по мишени из дробовика, куда одновременно попадает много пуль.
Режимы передачи данных при последовательной связи:
- Асинхронная передача данных – режим, в котором биты данных не синхронизируются тактовыми импульсами. Тактовый импульс – это сигнал, используемый для синхронизации работы электронной системы.
- Синхронная передача данных – режим, в котором биты данных синхронизируются тактовыми импульсами.
Характеристики последовательной связи:
- Скорость передачи данных используется для измерения скорости передачи данных. Оно описывается как количество битов, передаваемых за одну секунду. Например, если скорость передачи данных равна 200, то передается 200 бит в секунду. В телефонных линиях скорости передачи обычно составляют 14400, 28800 и 33600.
- Стоповые биты используются для остановки передачи одного пакета и обозначаются буквой «T». Некоторые типовые значения — 1, 1,5 и 2 бита.
- Бит четности — это простейшая форма проверки ошибок. Их четыре вида: четные, нечетные, отмеченные и разделенные интервалами. Например, если 011 является числом, бит четности = 0, т. е. четность, а если бит четности = 1, то это нечетность.
Что такое RS232?
RS232C “Recommended Standard 232C” — это последняя версия стандарта с 25 контактами, тогда как RS232D имеет 22 контакта. В новом ПК штекер D-типа имеет 9 контактов.
RS232 — это стандартный протокол, используемый для последовательной связи. Он используется для подключения компьютера и его периферийных устройств для обеспечения последовательного обмена данными между ними. Он применяется для последовательной связи на расстоянии до 50 футов со скоростью 1,492 кбит/с. Согласно определению EIA, RS232 используется для соединения терминального оборудования для передачи данных (Data Transmission Equipment, DTE) и оконечного оборудование для передачи данных (Data Communication Equipment, DCE) .
Универсальный асинхронный приемник и передатчик данных (Universal Asynchronous Data Receiver &Transmitter, UART) используется в сочетании с RS232 для передачи данных между принтером и компьютером. Микроконтроллеры не способны обрабатывать такие уровни напряжения, между сигналами RS232 подключаются разъемы. Эти разъемы известны как разъем DB-9 для последовательного порта и бывают двух типов: разъем-папа (DTE) и разъем-мама (DCE).
Электрические характеристики
Давайте обсудим электрические характеристики RS232, приведенные ниже:
- Уровни напряжения: RS232 также используется в качестве уровня земли и 5 В. Двоичный 0 работает с напряжением от +5 В до +15 В постоянного тока. Это называется «ВКЛ» или интервал (уровень высокого напряжения), тогда как двоичный 1 работает с напряжениями от -5 В до -15 В постоянного тока. Это называется «OFF» или маркировкой (низкий уровень напряжения).
- Уровень напряжения принимаемого сигнала: двоичный 0 работает с напряжениями полученного сигнала от +3 В до +13 В постоянного тока, а двоичный 1 работает с напряжениями от -3 В до -13 В постоянного тока.
- Сопротивление линии: Сопротивление проводов составляет от 3 до 7 Ом, максимальная длина кабеля составляет 15 метров, но новая максимальная длина определяется емкостью на единицу длины.
- Рабочее напряжение: Максимальное рабочее напряжение составляет 250 В переменного тока.
- Рабочий ток: Максимальный ток составляет 3 А.
- Диэлектрическое выдерживаемое напряжение: мин. 1000 В переменного тока.
- Скорость нарастания: Скорость изменения уровней сигнала называется скоростью нарастания. При этом скорость нарастания сигнала достигает 30 В/микросекунду, а максимальный битрейт составит 20 кбит/с.
Номинальные характеристики и технические характеристики изменяются с изменением модели оборудования.
Как работает RS232?
RS232 работает по двусторонней связи, обмениваясь данными друг с другом. Есть два устройства, подключенных друг к другу: (DTE) оборудование для передачи данных и (DCE) оборудование для приема данных, которое имеет такие контакты, как TXD, RXD и RTS и CTS. Сначала из источника DTE, RTS генерирует запрос на отправку данных. Затем с другой стороны DCE, CTS очищает буфер для приема данных. После освобождения буфера он подает сигнал RTS источника DTE на отправку сигнала. Затем биты передаются от DTE к DCE . Теперь снова из источника DCE запрос может быть сгенерирован RTS, а CTS источников DTE очищает буфер для получения данных и дает сигнал на отправку данных. Это весь процесс, посредством которого происходит передача данных.
TXD | TRANSMITTER (передатчик) |
RXD | RECEIVER (приемник) |
RTS | REQUEST TO SEND (запрос на передачу) |
CTS | CLEAR TO SEND (готов к передаче) |
GND | GROUND (земля) |
Например: Сигналы установлены на логическую 1, т.е. -12 В. Передача данных начинается со следующего бита, и, чтобы сообщить об этом, DTE отправляет стартовый бит в DCE. Стартовый бит всегда равен «0», т. е. +12 В, а следующие 5–9 символов — это биты данных. Если мы используем бит четности, то можно передавать 8-битные данные, тогда как если мы не используем бит четности, передаются 9 битов. Стоповые биты отправляются передатчиком, значения которых составляют 1, 1,5 или 2 бита после передачи данных.
Механические характеристики
Что касается механических характеристик, нам необходимо изучить два типа разъемов: DB-25 и DB-9. В DB-25 доступно 25 контактов, которые используются во многих приложениях, но некоторые приложения не использовали все 25 контактов, поэтому был разработан 9-контактный разъем для удобства работы устройств и оборудования.
Итак, рассмотрим штыревой разъем DB-9, который используется для соединения микроконтроллеров и разъема. Он бывает двух типов: штекерный разъем (DTE) и гнездовой разъем (DCE). В верхнем ряду 5 контактов, в нижнем ряду 4 контакта. Его часто называют разъемом DE-9 или D-типа.
Структура контактов разъема DB-9:
Описание контактов разъема DB-9:
Номер контакта | Название контакта | Описание контакта |
1 | Наличие несущей (CD, Carrier Detect) | Входящий сигнал от DCE |
2 | Прием данных (RD, Receive Data) | Получает входящие данные от DTE |
3 | Передача данных (TD, Transmit Data) | Отправка исходящих данных в DCE |
4 | Готовность приемника данных (DTR, Data Terminal Ready) | Исходящий сигнал подтверждения связи |
5 | Земля (GND, System Ground) | Общее опорное напряжение |
6 | Готовность источника данных (DSR, Data Set Ready) | Входящий сигнал подтверждения связи |
7 | Запрос на передачу (RTS, Request to Send) | Исходящий сигнал для управления потоком |
8 | Готовность передачи (CTS, Clear to Send) | Входящий сигнал для управления потоком |
9 | Сигнал вызова (RI, Ring Indicator) | Входящий сигнал от DCE |
Как видите, назначение контактов достаточно продуманное.
Что такое рукопожатие (Handshaking)?
Как определить что передатчик успешно передает данные, а приемник их успешно принимает? Для этого и существует рукопожатие (квитирование, подтверждение).
Квитирование связи — это процесс, который используется для передачи сигнала от DTE к DCE для установления соединения перед фактической передачей данных. Обмен сообщениями между передатчиком и приемником может осуществляться посредством квитирования связи.
Существует 3 типа процессов установления связи, называемых:
Нет рукопожатия:
Если квитирования нет, то DCE считывает уже полученные данные, в то время как DTE передает следующие данные. Все полученные данные сохраняются в ячейке памяти, известной как буфер получателя. Этот буфер может хранить только один бит, поэтому получатель должен прочитать буфер памяти до прибытия следующего бита. Если получатель не может прочитать сохраненный бит в буфере и прибудет следующий бит, сохраненный бит будет потерян.
Как показано на диаграмме ниже, приемник не смог прочитать 4-й бит до прибытия 5-го бита, и в результате произошло перекрытие 4-го бита 5-м битом, а 4-й бит был потеряно.
Аппаратное рукопожатие (подтверждение):
- Используются определенные последовательные порты, то есть RTS и CTS, для управления потоком данных.
- В этом процессе передатчик запрашивает приемник, что он готов к приему данных, затем приемник проверяет буфер, что он пуст, и если он пуст, то он передает передатчику сигнал о том, что он готов к приему данных.
- Приемник дает сигнал передатчику не отправлять какие-либо данные, пока уже полученные данные не могут быть прочитаны.
- Его рабочий процесс аналогичен описанному выше при установлении связи.
Программное квитирование:
- В этом процессе есть две формы: X-ON и X-OFF. Здесь «X» — передатчик.
- X-ON — это часть, в которой возобновляется передача данных.
- X-OFF — это часть, в которой приостанавливается передача данных.
- Он используется для управления потоком данных и предотвращения потери во время передачи.
Применение протокола RS232
- Последовательная связь по протоколу RS232 используется в персональных компьютерах (ПК) старого поколения для подключения периферийных устройств, таких как мышь, принтеры, модем и т. д.
- В настоящее время интерфейс RS232 в ПК заменен интерфейсом USB.
- Он находит применение в станках ПЛК, станках с ЧПУ и сервоконтроллерах ввиду своей низкой стоимости.
- Он до сих пор используется в некоторых платах микроконтроллеров, принтерах чеков, системах торговых точек (PoS) и т. д.