СОМ-порт в схемах для МК

March 3, 2014 by admin Комментировать »

СОМ-порт (COMmunication Port) — это порт последовательной передачи данных, который появился в первых моделях IBM PC для подключения мыши, сканера, модема, дигитайзера. СОМ-портдо сих пор относится у радиолюбителей к наиболее почитаемым средствам сопряжения внешних устройств, хотя в последних моделях компьютеров и ноутбуков он уже отсутствует.

Дальность связи по СОМ-порту напрямую зависит от скорости соединения и можетдостигать 15…300 м. При большой длине кабеля рекомендуется применять гальваническую опторазвязку, чтобы не повредить компьютер в случае сильных промышленных помех или при большой разности «земляных» потенциалов.

СОМ-порт обеспечивает асинхронный обмен данными по стандарту RS-232C (Recommended Standard-232C, 1969 г.). В 1987 г. была разработана новая версия стандарта EIA-232-D, а в 1991 г. — ещё одна EIA/TlA-232-E. Несмотря на изменение названий, электронщики по-прежнему говорят «RS-232» для всех без исключения вариантов этого последовательного интерфейса.

Разъёмы RS-232 бывают на 9 контактов (DB-9, EIA-574) и на 25 контактов (DB-25, EIA-232, полный набор сигналов). Нормой «де-факто» считается вилка DB-9M в компьютере и розетка DB-9F в присоединяемом кабеле (Рис. 4.1, а).

Рис. 4.1. Внешний вид разъёмов интерфейса RS-232: а) вилка и розетка DB-9; б) разъём RJ-45 на 8 контактов; в) разъём RJ-45 на 10 контактов.

В промышленных модемах для портов RS-232 иногда применяют «телефонные» разъёмы на 8, 10 (EIA-561, Рис. 4.1, б, в) и на 26 контактов (Табл. 4.1).

Таблица 4.1. Раскладка сигналов в разъёмах интерфейса RS-232

Важное замечание. Нумерация контактов вилок и розеток DB-9, DB-25 зеркальная по отношению друг к другу. Однако, встречаются разновидности этих разъёмов с «перевёрнутой» маркировкой контактов, когда вилка якобы соответствует розетке и наоборот. Чтобы не запутаться в обозначениях, надо ориентироваться строго по Рис. 4.1, а, не обращая внимание на мелкие цифры, которые изготовители наносят прямо возле контактов разъёма.

Требования к уровням сигналов для передатчиков и приёмников СОМ-порта различные (Рис. 4.2, а, б). Это связано с необходимостью обеспечить повышенную помехоустойчивость при большой длине кабеля. Реальная амплитуда выходных сигналов СОМ-порта стационарных компьютеров составляет ±(9…Ю) В, но для приёма сигналов в большинстве случаев достаточно уровней 0…+3 В [4-1].

Рис. 4.2. Уровни сигналов интерфейса RS-232: а) на передаче; б) на приёме.

Схемы соединения MK с СОМ-портом можно разделить на 4 группы:

•                 приём данных от компьютера без развязки (Рис. 4.3, а…м);

•                 приём данных от компьютера с гальванической изоляцией (Рис. 4.4, a…e);

•                 передача данных в компьютер без развязки (Рис. 4.5, а…к);

 передача данных в компьютер с гальванической изоляцией (Рис. 4.6, а…ж). Во всех последующих схемах подразумевается, что для передачи данных от компьютера используется линия TxD, а от МК  — линия RxD. Это позволяет задействовать встроенный в большинство MK аппаратный контроллер последовательного интерфейса UART. Иногда для передачи данных от компьютера используют линии DTR или RTS, а для приёма — линии DCD, RI, DSR, CTS. Однако в этом случае программисту придётся придумывать свой алгоритм передачи данных.

Рис. 4.3. Схемы неизолированного ввода сигналов из СОМ-порта в MK (начало):

а) диод VD1 защищает MK от отрицательного напряжения. Делитель R1, R2 снижает амплитуду сигнала на входе MK c +10 В примерно до +4.3 В;

б) диод VD1 защищает MK от отрицательного напряжения. Резистор R1 создаёт нагрузку по току для СОМ-порта. Резистор Л2ограничиваетток через внутренний защитный диод MK;

в) стабилитрон VD1 при подаче от СОМ-порта отрицательного напряжения ограничивает амплитудно —0.7 В, а при подаче положительного напряжения — до +4.7…+5.1 В. Чтобы снизить ток через внутренний диод MK, надо последовательно с входом поставить резистор 200 Ом;

г) транзистор VT1 служит инвертором сигнала и защитой от больших положительных напряжений. Диод VD1 в свою очередь защищает транзистор VT1 от отрицательных напряжений;

д) аналогично Рис. 4.3, г, но с внешним (а не внутренним) нагрузочным резистором R2, а также с отсутствием резистора между базой и эмиттером транзистора VT1. Схема рассчитана на постоянное подключение кабеля к СОМ-порту, иначе снижается помехоустойчивость, потому что база транзистора VT1 будет «висеть в воздухе»;

 Рис. 4.3. Схемы неизолированного ввода сигналов из СОМ-порта в MK (,продолжение):

е) аналогично Рис. 4.3, г, но без защитного диода на входе, поскольку транзистор VT1 по даташиту выдерживает большое обратное напряжение «база — эмиттер» до 6 В. Встречающиеся разновидности элементов схемы: Rx = 10 кОм, R2 = 12… 15 кОм;

ж) аналогично Рис. 4.3, г, но с инвертором на полевом транзисторе VT1 Резистор R2 закрает транзистор VT1 при отстыкованном кабеле от СОМ-порта. Пороговое напряжение стабилитрона VD1 не должно превышать максимально допустимое для затвора транзистора VT1;

з) сопряжение MK с компьютером через защитный КМОП-инвертор на микросхеме DD1. На её вход может подаваться положительное напряжение до +15 В. Отрицательное входное напряжение шунтируется внутренним диодом микросхемы DD1, при этом ток ограничивается резистором R1 Логический инвертор DD1 можно заменить повторителем на микросхеме К561ПУ4, но тогда придётся внести изменения в программе в части инвертирования входного сигнала;

и) аналогично Рис. 4.3, з, но с ТТЛ-триггером Шмитта, входящим в микросхему DD1. Резистор R1 ограничивает входной ток, резистор R2 согласует уровни ТТЛ — КМОП;

к) схема П.Хомера. Светодиод HL1 индицирует наличие сигнала положительного уровня с СОМ-порта. Яркость свечения задаётся резистором R1 При отрицательном уровне входного сигнала светодиод ведёт себя как стабилитрон. Конденсаторы C1..C3 снижают ВЧ-помехи. Диод VD1 защищает транзистор VT1 от большого обратного напряжения на базе;

 Рис. 4.3. Схемы неизолированного ввода сигналов из СОМ-порта в MK (окончание):

л) типовая схема подключения входов MK к компьютеру через драйвер DA1 из стандартной серии «232». Высокая помехоустойчивость и значительные расстояния (до 300 м при скорости 300 бит/с) обеспечиваются триггерами Шмитта на входах DD1. Размах входных сигналов TxD, RTS может достигать ±30 В, скорость передачи данных до 120…200 Кбит/с. Драйверы серии «232» выпускаются разными фирмами, но параметры могут несколько отличаться;

м) простейший вариант сопряжения нескольких MK с одним СОМ-портом. Резистор R1 ограничивает общий ток через внутренние диоды MK на уровне 0.2…0.4 мА.

Рис. 4.4. Схемы изолированного ввода сигналов из СОМ-порта в MK (начало):

а) изоляция цепей СОМ-порта с помощью интегральных ключей микросхемы DA1 фирмы Maxim Integrated Products. Для нормальной работы требуются три источника питания: +5 В (1), + 10 В, —10 В относительно цепи GND разъёма СОМ-порта и один источник питания +5 В (2) относительно «земли» MK. Вместо линии TxD может использоваться любая другая выходная линия СОМ-порта, следует только учитывать инвертирование сигнала микросхемой DA1\

б) параллельный оптоизолированный съём информации с выходной линии СОМ-порта, в частности, с DTR. Диод VD1 предназначен для защиты оптопары VU1 от большого отрицательного напряжения и, соответственно, для снижения токовой нагрузки на СОМ-порт;

 Рис.4.4. Схемы изолированного ввода сигналов из СОМ-порта в MK (окончание):

в) резистор R1 задаёт ток через излучатель оптопары VU1. Светодиод HL1 защищает оптопару от отрицательного напряжения, а также индицирует выключенное состояние оптопары и обеспечивает примерно одинаковый ток в цепи TxD вне зависимости от полярности сигнала;

г) аналогично Рис. 4.4, в, но без световой индикации и с увеличенной скоростью передачи данных в связи с применением интегральной оптопары VU1;

д) аналогично Рис. 4.4, б, но с другими номиналами элементов и с заменой внутреннего «pull-up» резистора MK внешним нагрузочным резистором R2\

е) аналогично Рис. 4.3, к, но с гальванической опторазвязкой.

Рис. 4.5. Схемы неизолированного вывода сигналов из MK в СОМ-порт (начало):

а) простейшая схема сопряжения без инверсии сигнала. Стабилитрон VD1 совместно с резистором R1 защищает MK на случай ошибок в монтаже соединительного кабеля СОМ-порта;

б) буферный транзистор VT1 инвертирует сигнал, что позволяет использовать на выходе MK линию TxD канала UART. На коллекторе транзистора VT1 формируются уровни, близкие к напряжению питания +5 В и к общему проводу. Такое «низковольтное» решение эффективно при небольших расстояниях до компьютера 1…2 м;

 Рис. 4.5. Схемы неизолированного вывода сигналов из MK в СОМ-порт (продолжение):

в) буферный транзистор VT1 инвертирует сигнал и формирует на своём коллекторе уровни, близкие к напряжению питания +12 В и к общему проводу. Резистор R2 закрывает транзистор VT1 при рестарте MK;

г) аналогично Рис. 4.5, б, но с транзистором VT1 структуры р—п—р. Резистор Л2формирует «нулевой» уровеньдля СОМ-порта при закрытом транзисторе VT1\

д) аналогично Рис. 4.5, б, но на полевом транзисторе VT1;

е) сопряжение с СОМ-портом через ОУ DA1, который работает в режиме компаратора напряжения. Двухполярное питание ОУ способствуеттому, что выходные уровни сигнала RxD становятся близкими к±12 В;

ж) ОУ DA1 получает питание ±10 В от выходных линий СОМ-порта RTS, DTR. На них программно должны устанавливаться напряжения положительной (RTS) и отрицательной ( DTR) полярности;

з) ОУ DA1 служит неинвертирующим усилителем. Коэффициент передачи определяют резисторы R1 R2. Питание микросхемы DA1 ±10 В производится от противофазно настроенных в программе линий СОМ-порта RTS, DTR. Диодный мост VD1…VD4обеспечивает правильную полярность подачи питания. Сигналы на линиях RTS, DTR могут быть как постоянными, так и импульсными, но обязательно инверсными по отношению друг к другу;

и) аналогично Рис. 4.3, л , но MK работает на передачу информации;

к) триггер Шмитта DD1 является защитным буфером для MK. Его можно заменить микросхемой K561JIA7 или другими инверторами/повторителями из серии 74HCxx. Устойчивость работы при длинном соединительном кабеле проверяется экспериментально.

Рис. 4.6. Схемы изолированного вывода сигналов из MK в СОМ-порт (начало):

а)         гальваническая изоляция на оптопаре VU1. Питание +5 В для транзистора оптопары обеспечивает сам СОМ-порт через стабилизатор DA1. В компьютерной программе надо предусмотреть установку положительного напряжения хотя бы на одном из выходов DTR, RTS, CTS;

б) в исходном состоянии транзистор оптопары VU1 закрыт и на вход RxD поступает отрицательное напряжение с линии TxD. Если транзистор открыт, то на вход RxD поступает положительное напряжение с линии DTR. Резистор Л2устраняет наводки и помехи в цепи базы VU1\

в) оптопары VU1, Г6£?включаются противофазными сигналами с двух выходов MK. Соответственно, в цепь RxD поступает или положительное (+5…+10 В, RTS), или отрицательное (-5…— 10 В, DTR) напряжение. Резистором R1 подбирается ток через диоды обеих оптопар;

г) оптическая развязка через быстродействующую микросхему DA1 (скорость до 10 Мбит/с). Резистор R2 служит нагрузкой каскада с открытым коллектором. Резистор R1 ограничивает ток внутреннего светодиодного излучателя DA1. Питание +5 В подаётся отдельно от MK;

д) изоляция цепей СОМ-порта при помощи интегральных ключей микросхемы DA1 фирмы Maxim Integrated Products. Для нормальной работы требуются три напряжения питания: +12 В, -12 В относительно цепи GND разъёма СОМ-порта и +5 В относительно общего провода MK;

ж)        элементы HL1 и BL1 используются от компьютерной механической «мыши». Транзистор VT1 усиливает и инвертирует сигнал. Фототранзисторы в сборке BL1 включаются параллельно, чтобы повысить чувствительность. Линии RTS и DTR служат источником питания.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты