Стандартна конфігурація IBM-сумісного комп’ютера передбачає його зв’язок із зовнішнім світом через два комунікаційні порти, виконаних за стандартом RS-232C. Для побутового комп’ютера, до якого підключають тільки “миша” і модем, цього достатньо. Але якщо він є основою інформаційно-керуючої системи імає бути з’єднаний з безліччю датчиків, контролерів обладнання тавиконавчих механізмів, наявні порти вже не забезпечують потрібного якості і дальності зв’язку. Часто їх неправильне використання стає причиною виходу комп’ютера з ладу. У пропонованій статті розповідається про деяких альтернативних стандартах послідовного інтерфейсу, спеціально призначених для зв’язку комп’ютера з видаленим обладнанням. Наведена схема адаптеру за стандартом RS-485, що забезпечує зв’язок комп’ютера з видаленим обладнанням по оптично ізольованою витій парі проводів.

Послідовний порт RS-232C (згідно вітчизняним стандартам -“Стик С2”) має два недоліки, що обмежують дальність і якість зв’язку. Перший з них – несиметрична та неузгоджена лінія зв’язку погано захищена від перешкод і спотворює передані сигнали. Другий недолік полягає в тому, що загальний провід всіх ланцюгів порту електрично з’єднаний з корпусом комп’ютера, тому при підключенні до приладам, які знаходяться на деякій відстані, по ньому можуть протікати паразитні струми, не тільки створюють перешкоди, але і здатні пошкодити комп’ютер.

Однак існують комунікаційні інтерфейси, інформаційні та керуючі ланцюги яких симетричні і ізольовані (часто говорять “Гальванічно розв’язані”) від корпусів і всіх інших ланцюгів з’єднуються приладів.

Якщо не розглядати такі поки ще екзотичні способи передачі даних, як оптичний кабель, радіо або інфрачервоний канал зв’язку, то гальванічну розв’язку інформаційних ланцюгів можна забезпечити за допомогою трансформаторів або оптронів. Вимоги до характеристик цих трансформаторів досить високі, тому що вони повинні передавати широкосмугові імпульсні сигнали з малими спотвореннями. Крім того, трансформатор не пропускає постійну складову сигналу, тому доводиться застосовувати коди, що містять рівне число імпульсів позитивної і негативної полярності. Оптронная розв’язка не вимагає спеціального кодування даних, але необхідний окремий “підвішений” (Ізольований від загального проводу комп’ютера) джерело живлення формувачів і приймачів інформаційних і керуючих сигналів.

Типовий приклад інтерфейсу з трансформаторної розв’язкою – Ethernet (Зовнішній вигляд плати його адаптера показаний на рис. 1). Потрібне для виключення постійної складової кодування і декодування даних виконує спеціальне програмне забезпечення і БІС 1. Сигнали на інтерфейсну мікросхему 3 надходять через трансформатори, що знаходяться в корпусі 2, причому харчується вона від спеціального ізолюючого перетворювача напруги 8. При використанні адаптера слід пам’ятати, що зовнішній контакт байонетного роз’єму 4 для підключення “Тонкого” коаксіального кабелю (10BASE-2) ізольований пластмасовою вставкою від планки 5, що має контакт з корпусом комп’ютера.

Зовнішній провідник коаксіального кабелю мережі Ethernet зазвичай заземлюютьу одного із з’єднуваних комп’ютерів. Підключаючи його до інших, слід дотримуватися обережності, робити це однією рукою, не торкаючись корпусу комп’ютера і інших заземлених предметів. З’єднувати зовнішні контакти роз’ємів з корпусами комп’ютерів, як це рекомендують деякі “Знавці”, не слід: якщо потенціали корпусів неоднакові, за зовнішнімпровіднику потече струм, що створює перешкоди корисним сигналам.

У мережі, де з’єднання виконані кабелем з крученими парами проводів (10BASE-T), підключеним до роз’єму 6, в адаптері працює друга інтерфейсна мікросхема 7. Трансформатори розв’язки знаходяться в корпусі 8. Кабельна частина роз’єму не має зовнішніх металевих частин, так що при його підключенні немає ризику отримати електроударом.

На жаль, апаратна і програмна реалізації інтерфейсу Ethernet досить складні. Застосування його для зв’язку з віддаленими контролерами обладнання призвело б до їх зайвому подорожчання. У подібних випадках часто користуються наявними в кожному комп’ютері і в більшості контролерів послідовним інтерфейсом RS-232C, що не передбачають гальванічної розв’язки між сполучаються пристроями. Швидкість і дальність зв’язку обмежені використанням несиметричною щодо землі і неузгодженої лінії. При виникненні проблем рекомендується переходити на інші варіанти послідовного інтерфейсу, в тій чи іншій мірі позбавлені зазначених недоліків: “струмовий петлю”, RS-422 або RS-485. Всі вони логічно не відрізняються від RS-232C і часто здатні працювати з тим же програмним забезпеченням, хоча електричні характеристики формувачів і приймачів сигналів, а також вимоги долініях зв’язку різні.

Пользовавшаяся в недавньому минулому деякою популярністю “струмова петля “хоча і забезпечена розв’язують оптронами, передає дані по неузгодженою лінії, що призводить до спотворень, помітним при швидкостяхпередачі 1200 біт / с і більше. Сьогодні вона практично не застосовується.

Пользовавшаяся в недавньому минулому деякою популярністю “струмова петля “хоча і забезпечена розв’язують оптронами, передає дані по неузгодженою лінії, що призводить до спотворень, помітним при швидкостяхпередачі 1200 біт / с і більше. Сьогодні вона практично не застосовується.

У комп’ютерах, спеціально призначених для промислового застосування, за стандартом RS-422/485 (нижче буде пояснено, чому в позначенні присутня дробова риса) бувають виконані вхідні та вихідні ланцюги одного з комунікаційних портів (СОМ1 або COM2). В звичайних настільних і переносних комп’ютерах цього немає, тому доводиться або встановлювати відповідну інтерфейсну плату, або підключати лінію зв’язку через спеціальний перетворювач (один з варіантів показаний на рис. 2). Для нього, як правило, потрібно і окреме джерело живлення, хоча є й такі, які харчуються безпосередньо від інтерфейсних ланцюгів RS-232C.

Стандарти RS-422 і RS-485 передбачають зв’язок з симетричним погодженим лініях (крученим парам проводів) і розрізняються в основному тим, що перший вимагає окремої витої пари для кожного напрямку передачі, а згідно з другим зв’язок в обидві сторони ведеться за однією і тією ж парі. Формувач сигналу (передавач) RS-485 обов’язково має керуючий вхід ОЕ, що переводить його виходи в високо-імпедансний стан, в якому вони фактично відключені від лінії зв’язку.

Возмжни два способи перемикання прийом / передача. Відповідно до одного з них на вхід ОЕ формувача подається сигнал RTS інтерфейсу RS-232, рівнем якого управляє програма. У другому випадку цей вхід підключений до виходу чекаючого мультівібратор, сполученого з ланцюгом TXD. Фронт стартового імпульсу Перший передавав байта даних запускає мультивібратор, а кожний наступний перепад сигналу перезапускає його. Врезультаті з початком передачі формувач автоматично переходить в активний стан і залишається в ньому до її закінчення.

Головний недолік такого способу – жорсткі вимоги до тривалостіімпульсу мультивібратора. Якщо вона мала, формувач буде відключатися в процесі передачі сигналів, не містять змін рівня(Наприклад, нульових байтів), а якщо велика, – занадто довго залишатися включеним після її закінчення, не даючи можливості правильно прийняти перші байти відповіді.

Для передавача RS-422 наявність керуючого входу не обов’язково, але,як правило, він все-таки передбачається. Це дозволяє реалізувати обидва варіанти інтерфейсу одним і тим же пристроєм, об’єднуючи або роз’єднуючи входи приймача і виходи передавача. Саме з цієї причини часто зустрічається позначення RS-422/485.

На відміну від RS-232C, розрахованого на обмін даними тільки між двома абонентами, високий вхідний опір приймачів RS-422/485 дає можливість підключити до 32 абонентів до однієї і тієї ж лінії довжиною не більше 1200 м. Спеціальні пристрої (репітери) дозволяють об’єднати до чотирьох таких ділянок, в результаті дальність зростає до 4800 м, а число абонентів – до 128.

Якщо тільки один з абонентів, об’єднаних інтерфейсом RS-485 (Наприклад, керуючий комп’ютер), має право передавати дані, а інші лише приймають їх, проблем не виникає. Трохи складніше ситуація, коли передавати може будь-хто, але тільки з дозволу головного комп’ютера. Якщо ж всі абоненти рівноправні і кожен з них може почати передачу, “не питаючи” інших, виникають конфлікти. Паралельне з’єднання передавача з власним приймачем допомагає їхвиявляти. При збігу прийнятих даних з переданими – все в порядку. Але коли одночасно запрацюють кілька передавачів, збігу не буде. Усунути наслідки конфлікту, попросивши, наприклад, абонентів по черзі повторити передачу, – турбота програмногозабезпечення, яке в даному випадку може бути дуже складним. Подібніж проблеми існують і успішно вирішуються в локальних обчислювальних мережах, в тому числі у вже згадуваній Ethernet.

Можлива схема адаптера інтерфейсу RS-485 показана на рис. 3. Його основою служить мікрозбірка МАХ1480 фірми Maxim, виконана у звичайному 28-вивідному DIP-корпусі і містить, окрім власне приймача і передавача, перетворювач напруги з розділовим трансформаторомдля їх харчування і оптронні розв’язки ланцюгів RXD, TXD і RTS. Висновки А і В призначені для підключення витої пари, С – ізольований від корпусу комп’ютера загальний провід приймача і передавача. Зауважимо, що в інтерфейсі RS-422 ланцюзі передавача мають ті ж позначення, а ланцюга приймача називають відповідно А ‘, В’ і С ‘. Висновки усіх ланцюгів мікроскладені, що підключаються до пристрою управління (комп’ютера), видалені на максимальну відстань від висновків, що підключаються до лінії зв’язку, і знаходяться на протилежних сторонах її корпусу. Ізоляція між ними витримує напругу до 2000 В змінного струму.

Номінали резисторів на рис. 3 вказані для економічного варіанта мікроскладені МАХ1480В, розрахованого на швидкість передачі не більше 250 Кбіт / с. Для швидкодіючої модифікації МАХ1480А (2,5 Мбіт / с) опір резистора R2 необхідно зменшити до 200, R3 і R6 – до 360Ом, а резистора R4 – збільшити до 3 кОм. Якщо з’єднати із загальним проводом висновок 6 мікроскладені А1, робоча частота перетворювача напруги знизиться з 350 до 200 кГц. Іноді це допомагає усунути перешкоди. Перетворювач можна зупинити (наприклад, для економії енергіїв періоди відсутності зв’язку), відключивши від загального проводу висновок 7 А1.

Як вже говорилося, сигнали інтерфейсів RS-422/485 передають по крученим парах проводів диференціальним методом. Корисним сигналом служить різниця напруг між проводами А і В, причому логічної 1 відповідає негативний потенціал точки А щодо В. Гарна перешкодостійкість досягається тим, що завдяки симетрії витої пари, перешкоди, що наводяться на кожен з її проводів, однакові і не змінюють диференціальної складової напруги. Синфазної складової, тобто середнє арифметичне напружень в точках А і В щодо С, не повинна перевершувати 7 В (за абсолютною величиною). Для ще більшого захистувід перешкод виту пару іноді додатково екранують. Не забувайте, що екран слід заземлювати тільки в одного з кінців кабелю.

При паралельному підключенні декількох адаптерів до однієї лінії зв’язку(А саме на це розрахований стандарт RS-485) усі точки С необхідно з’єднати між собою спеціально передбаченим у кабелі “дренажним” проводом (ні в якому разі не використовуючи замість нього екран!). Відступвід цього правила можливо, якщо точки С заземлені у кожного з абонентів та різниця їх потенціалів гарантовано не перевищує 7 В. Якщо ж згадані точки з’єднані, але за умовами безпеки заземлення таки потрібно, підключати його до кожної з них слід через резистори опором не менше 100 Ом з номінальною розсіюваною потужністю не менше 0,5 Вт Це виключить протікання по дренажному проводу “блукаючих” струмів значної сили.

При короткому кабелі зв’язку і великому вихідному опорі передавача на екрані осцилографа, підключеного до входу приймача, можна спостерігати затягування фронтів імпульсів сигналу, тим більше, ніж більше погонна ємність і довжина кабелю. При його значній довжині спотворення збільшуються через те, що, поширюючись по ньому і досягнувши кінця, сигнал відбивається і “біжить” в зворотному напрямку. На іншому кінці сигнал відбивається ще раз і “циркулює” таким чином до тих пір, поки вся його енергія не перетвориться в тепло. На фронтах імпульсів з’являється “дзвін” тривалістю у три-п’ять разів більше часу поширення сигналу від одного кінця кабелю до іншого.

Відомо, що кожна лінія електричного зв’язку характеризується так званим хвильовим опором, що залежить від площі і форми перерізупроводів, їх взаємного розташування, товщини і типу діелектрика між ними (у звичайно використовуваних кручених пар воно дорівнює 100 … 120 Ом). Якщо підключити до кінця лінії резистор опором, рівним хвильовому, сигнал від нього відбиватися не буде. Така лінія називається узгодженої, спотворення в ній мінімальні.

Погоджують резистори, іноді звані термінаторами, встановлюютьна тому кінці лінії, в бік якого поширюється сигнал. Якщо передача ведеться в двох напрямках (як в RS-485), вони необхідні на обох кінцях. Резистори звичайно підключають між контактами А і В “Крайніх” адаптерів. У проміжних точках узгодження не потрібно. Більш того, для найменшого впливу на поширення сигналів вхідні опору адаптерів повинні бути максимально можливими, а ємності – мінімальними. Не витримує критики зустрічається іноді рекомендація підключати паралельно кожному з них такі резистори, щоб їх загальне опір було дорівнює хвильовому.

Потрібно сказати, що необхідність в узгодженні виникає тільки в випадках, коли час поширення сигналу по кабелю перевищує 5 … 10%тривалості передачі біта. Так що при обміні зі швидкістю 9600 бод (Тривалість біта 104 мкс) і менш по лінії довжиною до 1200 м (час поширення приблизно 6 мкс) цілком можна обійтися і без нього. Враховуючи, що узгодження впливає в основному на поширення високочастотних складових сигналу, послідовно з погоджують резисторами іноді включають розділові конденсатори ємністю не менше 0,1 мкф. Це дещо полегшує режим роботи передавачів по постійному струму і знижує споживану ними потужність.

Коли жоден з абонентів RS-485 не веде передачі і виходи всіх формувачів сигналів знаходяться в високоімпедансное стан, різниця потенціалів між проводами крученої пари, а отже, стан приймачів стають невизначеними. Щоб усунути цей ефект, входи приймачів необхідно “перекосити”, підключивши резистори, як показано на рис. 4. Їх номінальні опору вибирають такими, щоб падіння напруги на узгоджуючих резисторах (якщо вони є) або внутрішніх опорах приймачів (в іншому випадку) перевищило рівень логічної 1. Під час роботи будь-якого з передавачів, вихідні опору яких свідомо малі, додаткові резистори не впливають на рівні сигналів.

На закінчення необхідно сказати про захист інтерфейсних ланцюгів від викидів напруги, неминуче виникають в лініях зв’язку під впливом промислових і природних перешкод. Необхідність у ній тим більше, ніж довша лінія і насиченішим силовими кабелями і потужними електроустановками траса її прокладки. Ще більш небезпечні через перенапруг, що виникають під дією атмосферної електрики, відкриті лінії, підвішені на стовпах або між будівлями.

Існують спеціальні захисні пристрої, що включаються між адаптером інтерфейсу і лінією. Вони містять кілька щаблів на базі газорозрядних і напівпровідникових приладів і надійно зменшують енергію імпульсу перешкоди до безпечної величини. У багатьох випадках достатньо захистити адаптер за допомогою напівпровідникових стабілітронів, підключивши їх, наприклад, як показано на рис. 5.

При цьому пригнічуються як диференціальні (діючі між проводами лінії зв’язку), так і синфазні (діючі між кожним з проводів і “землею”) складові перешкод.

В якості VD1-VD3 можна використовувати будь-які (обов’язково однакові) стабілітрони з напругою стабілізації 10 … 25 В. Прилади підвищеної потужності (наприклад, серій Д815-Д817) гарантують більш надійний захист, але вносять в лінію зв’язку досить значну додаткову ємність. Це позначається на умовах поширення сигналу і зменшує максимальну швидкість обміну даними.