Введение в последовательный порт связи RS232/RS485

Последовательная связь RS232/RS485 — это тип протокола связи, используемый в системах последовательной связи. Это низкоуровневый протокол связи, используемый во многих различных приложениях.

RS232 — это двухпроводной асинхронный последовательный протокол связи, который использует уровни напряжения для передачи и приема данных. Он был разработан в конце 1960-х годов и до сих пор широко используется. RS485 — это двухпроводной дифференциальный последовательный протокол связи, который использует дифференциальный сигнал для передачи и приема данных. Он был разработан в 1980-х годах как усовершенствование RS232 и в настоящее время является наиболее широко используемым протоколом в промышленных приложениях.

На странице :

• Что такое последовательная связь RS232 
  

• Что такое последовательная связь RS485 
  

• Разница между интерфейсом RS232 и интерфейсом RS485
  

• Плюсы и минусы последовательных интерфейсов связи RS485 и RS232

• Коммуникационные характеристики последовательного порта RS485

• Как преобразовать данные последовательного порта RS232 / RS485 в сигнал Ethernet

Что такое последовательная связь RS232

1. Обзор RS-232

The Интерфейс RS232 соответствует стандарту последовательного интерфейса передачи данных, разработанному Альянсом электронной промышленности (EIA), а полное название оригинального серийного номера - EIA-RS-232 (сокращенно 232, RS-232). Он широко используется для подключения периферийных устройств с последовательным интерфейсом компьютера. Соединительные кабели и механика, электрические характеристики, функции сигнала и процессы передачи.

Стандарт RS-232-C определяет скорость передачи данных в размере 50, 75, 100, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бод в секунду.

2. Особенности связи с последовательным портом RS232

RS-232 является одним из основных интерфейсов последовательной связи. Поскольку стандарт интерфейса RS-232 появился ранее, неизбежно наличие недостатков, в основном следующих:
(1) Уровень сигнала интерфейса относительно высок, и микросхема интерфейсной схемы легко повреждается. Напряжение любой сигнальной линии интерфейса RS-232 имеет отрицательную логическую зависимость. То есть: логический "1" равен -3 ~-12 В; логический "0": + 3 ~ + 12 В, а предел шума равен 2 В. Иными словами, приемник должен распознавать сигнал выше + 3 В как логический "0", сигнал ниже -3 В как логический "1", уровень TTL 5 В как логический положительный и 0 как логический отрицательный. Он несовместим с уровнем TTL, поэтому для подключения к схеме TTL необходимо использовать схему преобразования уровня.
(2) Скорость передачи низкая, при асинхронной передаче скорость передачи составляет 20 Кбит/с;
(3) Интерфейс использует сигнальную линию и линию возврата сигнала для формирования формы передачи по общему заземлению. Эта передача по общему заземлению подвержена синфазным помехам, поэтому помехи против шума слабые.
(4) Дальность передачи ограничена. Стандартное значение максимальной дальности передачи составляет 50 футов, но фактически ее можно использовать только на расстоянии около 15 метров.

 Что такое последовательная связь RS485 

1. Обзор  интерфейса RS485

Когда требуется, чтобы расстояние связи составляло от десятков метров до тысяч метров, широко используется последовательная шина RS485. Интерфейс RS485 поддерживает сбалансированную передачу и дифференциальный прием, поэтому он обладает способностью подавлять синфазные помехи. Кроме того, шинный приемопередатчик обладает высокой чувствительностью и может обнаруживать напряжение до 200 мВ, поэтому сигнал передачи может быть восстановлен на расстоянии более километра.

2. Особенности связи с последовательным портом RS485 

Связь через последовательный порт RS485 очень удобна для многоточечного соединения, и можно сэкономить много сигнальных линий. Связь через последовательный порт RS485 можно использовать для объединения в сеть с образованием распределенной системы. Что касается недостатков RS-232-C, то новый стандарт RS-485 обладает следующими характеристиками:
(1) Электрические характеристики RS485: логическая "1" представлена разностью напряжений между двумя линиями + 2V ~ + 6V, а логическая "0" представлена разностью напряжений между двумя линиями -6V ~ -2V. Уровень сигнала интерфейса ниже, чем у RS-232-C, поэтому нелегко повредить микросхему интерфейсной схемы, и этот уровень совместим с уровнем TTL, что удобно для подключения к схеме TTL.
(2) Интерфейс RS485 использует комбинацию сбалансированного драйвера и дифференциального приемника, который обладает сильной способностью подавлять синфазные помехи, то есть хорошими помехоустойчивыми характеристиками.
(3) Максимальное стандартное значение дальности передачи интерфейса RS485 составляет 4000 футов, но на самом деле она может достигать 3000 метров.

Разница между интерфейсом RS232 и интерфейсом RS485

Интерфейс RS232 является полнодуплексным, а интерфейс RS485 - полудуплексным.
Способ передачи отличается. Связь по RS-232 использует несбалансированный режим передачи (односторонняя передача), а связь по RS-485 использует сбалансированный режим передачи (дифференциальный режим передачи).
Расстояние связи бывает разным. Дальность передачи RS-232 короткая (максимальное стандартное значение дальности передачи составляет 15 метров), а дальность передачи RS-485 большая (максимальная дальность передачи составляет 1200 метров).
Разница в линиях связи. RS-232 использует трехжильную витую пару, трехжильный экранированный провод и т.д. RS-485 использует двухжильную витую пару, двухжильный экранированный провод и т.д.

Плюсы и минусы последовательных интерфейсов связи RS485 и RS232
Преимущества последовательной связи RS232:

Последовательный порт RS232 является наиболее широко используемым последовательным интерфейсом в компьютерной и коммуникационной промышленности. Он работает в полнодуплексном режиме и требует трех проводов: заземления, передачи и приема. RS232 может осуществлять только двухточечную связь.

Недостатки последовательной связи RS232:

1. Уровень сигнала интерфейса относительно высок, и микросхема интерфейсной схемы легко повреждается.
2. Скорость передачи низкая, самая высокая скорость передачи в бодах составляет 19200 бит/с.
3. Плохая помехозащищенность.
4. Дальность передачи ограничена, обычно в пределах 15 метров.
5. Может быть реализована только связь "точка-точка".

Коммуникационные характеристики последовательного порта RS485

1. RS485 использует сбалансированную передачу и дифференциальный прием, обладает хорошей помехозащищенностью, и сигнал может передаваться на тысячи метров.

Недостатки связи по последовательному порту RS485:

2. RS485 имеет два провода и четыре проводника. При использовании четырехпроводной системы может быть реализована только связь "точка-множество" (то есть может быть только одно главное устройство, а остальные являются подчиненными устройствами). Четырехпроводная система сейчас используется редко, а сейчас в основном используется двухпроводная система.
3. Двухпроводной RS485 может работать только в полудуплексном режиме, и отправка и прием не могут осуществляться одновременно.
4. RS485 может подключать до 32 узлов к одной шине, что может реализовать реальную многоточечную связь, но обычно использует режим связи ведущий-ведомый, то есть один ведущий имеет несколько ведомых устройств.
5. Поскольку интерфейс RS485 обладает хорошей защитой от помех, большой дальностью передачи и возможностью работы с несколькими станциями, он становится предпочтительным последовательным интерфейсом.

Как преобразовать данные последовательного порта RS232 / RS485 в сигнал Ethernet

Сегодня многие устройства используют последовательную связь, особенно в проектах промышленной автоматизации и мониторинга безопасности. Самое большое преимущество последовательной связи заключается в том, что ее удобно подключать и воспроизводить, и она более распространена. Кроме того, последовательная связь имеет недостатки, заключающиеся в небольшом расстоянии и низкой скорости передачи.

Однако с быстрым развитием современной науки и техники увеличивается большой объем информации и коммуникационных данных, а также возрастают требования к расстоянию. Важно реализовать дистанционное управление и другие требования, когда последовательные порты должны быть плотно подключены к сети Ethernet или волоконно-оптической связи.

Поэтому с развитием времени и технологий появились устройства, преобразующие последовательные сигналы в сигналы Ethernet: от RS232 / 485 до последовательных серверов RJ45. Из последовательного порта в сетевой порт и из сетевого порта в последовательный порт, поскольку эти продукты могут преобразовывать данные обоими способами, на самом деле это одно и то же. 

Преобразование последовательного интерфейса в Ethernet

Это не простое преобразование между физическим уровнем и уровнем канала передачи данных. Поскольку сам протокол последовательного порта не имеет сетевого и транспортного уровней, данные, поступающие на последовательный порт Ethernet, фактически используют данные последовательного порта в качестве данных прикладного уровня TCP / IP и используют метод пересылки пакетов TCP / IP. Например, пользователь передает функции recv() и send() сокета для отправки и получения данных, которые на самом деле являются прикладным уровнем. Это позволяет пользователю отправлять и получать последовательные данные в TCP / IP и из TCPIP через последовательный порт, используя функции recv() и send(). Однако TCP / IP так же прост, как recv() и send() . В зависимости от режима действия, это связано с подключением, завершением работы, мониторингом и т.д. Это та часть, с которой необходимо разобраться после преобразования последовательного порта в сетевой.

Режим работы TCPIP делится на режим  TCP-сервера (TCP server), режим TCP-клиента (TCP client) и режим UDP.

TCP/IP

Как правило, последовательный порт является UART и фактически определяет только спецификацию канального уровня передачи данных, а именно начальные биты, биты данных и стоповые биты. Однако на разных физических уровнях он делится на последовательный порт TTL, последовательный порт RS232, последовательный порт RS485 и так далее.

Последовательный порт RS485

Последовательный порт для связи на большие расстояния, который может передавать данные на километры. Эта основная особенность заключается в том, что путем замены синфазного сигнала RS232 (напряжения между сигнальной линией и GND) на сигнал дифференциального режима (напряжения между двумя линиями a и b) можно устранить синфазные помехи и обеспечить передачу на большие расстояния.

Режим UDP

Режим UDP основан на режиме без установления соединения, если есть данные для отправки, они могут быть отправлены без предварительного подключения. Следовательно, этот режим близок к режиму последовательной связи. Однако протокол UDP не может гарантировать, что данные не будут потеряны, и легко вызвать коды ошибок. 

Последовательный порт TTL

Последовательный порт для передачи данных между микросхемами MCU. Это означает 1 при + 5 В (или + 3,3 В) и 0 при GND. Последовательный порт RS232: последовательный порт для связи между устройствами. В основном измените напряжение сигнала с 05 В на ± 15 В (фактически ± 12 В). Увеличение напряжения увеличивает расстояние и надежность передачи данных.
Если разделить на 7-уровневую модель ISO (физический уровень, уровень канала передачи данных, сетевой уровень, транспортный уровень, сеансовый уровень, уровень представления, прикладной уровень), последовательный порт фактически включает в себя только физический уровень и уровень канала передачи данных. Протокол TCP/IP должен принадлежать сетевому и транспортному уровням. Следовательно, последовательный порт для TCP /IP неверен. Поскольку Ethernet относится к физическому уровню и уровню канала передачи данных, последовательный порт Ethernet является более точным.

Режим TCP

В режиме TCP используется надежный механизм передачи данных, гарантирующий практически полное отсутствие кодов ошибок и потери данных. При передаче данных по протоколу TCP настройка должна выполняться на обоих концах связи. Один из них является TCP-клиентом, а другой - TCP-сервером. Концепции TCP-клиента и TCP-сервера можно сравнить. TCP-клиент - это отправитель, а TCP-сервер - соединитель.