Вторник, 17.10.2017, 05:53
электроника
Форум Мой профиль
РегистрацияВход/Выход

Вы вошли как Гость · Группа "Гости"Приветствую Вас, Гость · RSS
МЕНЮ
Категории
Новости [22]
Новости мира электроники!
Статьи [50]
Схемы, конструкции, полезные материалы и т.д.
Чат
Что интересного
 Блог электроники
Главная » 2013 » Сентябрь » 7 » Общие сведения о устройстве сопряжения микроконтроллера с компьютером посредством интерфейса RS-232
22:38
Общие сведения о устройстве сопряжения микроконтроллера с компьютером посредством интерфейса RS-232
  В интерфейсе RS-232 сочетаются средняя скорость обмена, среднее расстояние линии связи, средняя простота программирования, средняя надежность обмена информации и т. п. При этом, подчас, та или иная «средняя» характеристика интерфейса RS-232 иногда на порядок превосходит соответствующую характеристику другого интерфейса.
  Интерфейс RS-232 является на настоящий момент едва ли не единственным средством связи между компьютером и микроконтроллером. Учитывая это, такие ведущие фирмы-производители микроконтроллеров, как Analog devices, Texas Instruments, Atmel, Philips и др. стали выпускать микроконтроллеры, которые обладают свойством «программирования-в-системе» (In-System-Programming — ISP) по интерфейсу RS-232. Дело в том, что скорость программирования микроконтроллеров достаточно низкая (намного ниже, чем максимальная скорость обмена RS-232 — 115 200 бод). Эта скорость определяется относительно медленной записью данных в память программ (EEPROM). 
  В микроконтроллере обмен по интерфейсу RS232 осуществляется по линиям TxD (передатчик) и RxD (приемник). Уровни напряжения на этих линиях соответствуют стандартным (цифровым) уровням напряжения микроконтроллера. Это означает, что уровень напряжения логической единицы соответствует напряжению питания микроконтроллера (3 или 5 В), уровень напряжения логического нуля — нулевому напряжению (или «земле»). Отметим, что для сопряжения со стандартными уровнями напряжения сигналов на линиях интерфейса RS232 (приблизительно равными ±10 В, как было указано ранее) необходимо использовать преобразователи уровней RS232.
  Новые преобразователи интерфейса RS-232 обладают несомненным преимуществом (высокая скорость обмена, малые габариты и потребление энергии, а также достаточно низкая стоимость) перед использовавшимися раннее (MAX318X, MAX3190, ADM3202, MAX1406).
  Кроме того, переход на 3-вольтовое питание, которое стало поддерживаться многими современными микроконтроллерами, позволил по-новому подойти к использованию стандартных преобразователей интерфейса (например, ADM231L).
  Другой пример — двунаправленный преобразователь SN75155 (корпус DIP8), который давно уже не используется, тоже очень удобно применять в таких приложениях. Что касается нестандартных преобразователей интерфейса RS-232, то к ним можно отнести новые КМОП-транзисторы с изолированным затвором p- и n-проводимости (например, BS250, 2N7000 и др.), которые с успехом могут служить приемниками RS-232, так как их затвор (Uзи = ±20 В) без каких-либо дополнительных резисторов может непосредственно контактировать с выходными линиями RS-232 (±10 В).
  На рисунке 1 представлены вышеуказанные преобразователи. Кратко охарактеризуем их свойства:

Рисунок 1 — Специализированные микросхемы преобразователей интерфейса RS-232

  Микросхема Analog Devices ADM3202 отличается высокой скоростью работы (до 460 кбод); емкости конденсаторов, требуемых для работы преобразователя, не превышают 0,1 мкФ; микросхема может работать и при Vcc = +3 В, и при Vcc = +5 В. Размах сигнала драйвера (передатчика) RS-232 составляет ±10 В (при Vcc = +5 В) и ±6 В (при Vcc = +3 В) при работе на нагрузку в 5 кОм. Сигнал очень чистый, без каких-либо паразитных искажений. Кроме того, ADM3202 отличается пониженным потреблением энергии (особенно при питании от +3 В).
  Микросхема ADM231L этой же фирмы тоже работает на скорости 115 кбод (в описании указывается, что максимальная скорость обмена составляет 230 кбод), и емкости конденсаторов не превышают 1,0 мкФ. Размах сигнала драйвера повышен и составляет ±11,5 В при питании от первого источника питания +12 В при работе на нагрузку в 5 кОм. Уникальной особенностью микросхемы является независимость размаха сигнала драйвера от напряжения второго источника питания Vcc. Vcc может быть и +3 В, и +5 В. Сигнал также имеет высокую чистоту без паразитных составляющих. ADM231L отличается пониженным потреблением энергии.
  Микросхема MAX1406 от MAXIM отличается высокой скоростью работы (до 230 кбод), повышенным размахом сигнала драйвера (±11,5 В) при работе на нагрузку в 5 кОм, независимостью этого размаха от напряжения Vcc и высокой чистотой сигнала. Микросхема питается от 3 источников питания (V+ = +12 В, V– = –12 В и Vcc: +3 ± +5 В), в связи с чем она не содержит преобразователей напряжения (удвоителей и инверторов напряжения как, например, ADM3202 и ADM231L) и не требует большого количества конденсаторов для работы. Особенностью микросхемы является наличие трех приемников и трех передатчиков, что, как будет видно из дальнейшего изложения, позволяет сопрягать с ее помощью компьютер с микроконтроллером (который может работать как в режиме программирования, так в штатном режиме) без каких-либо дополнительных преобразователей интерфейса RS-232. MAX1406 отличается пониженным потреблением энергии.
  Микросхема передатчика RS-232 MAX3190 от MAXIM отличается повышенной скоростью работы (до 460 кбод), имеет размах сигнала драйвера до ±10 В при работе на два входа приемников (на нагрузку в 2,5 кОм) при питающих напряжениях V+ = +12 В и V– = –12 В. Кроме того, она потребляет очень мало энергии при работе и может быть переведена в режим сверхнизкого потребления («спящий» режим). Особенностью микросхемы является уникально малый корпус SOT23-6 размером 3×3 мм.
  Микросхемы приемников MAX3181 и MAX3183 работают на сверхвысокой скорости для интерфейса RS-232 (до 1,5 Мбод), отличаются сверхнизким потреблением энергии и уникально малым корпусом SOT23-5 размером 3×3 мм. Микросхема MAX3181 является инвертирующим приемником, как и подавляющее большинство всех микросхем приемников RS-232, а MAX3183 — неинвертирующим, что является уникальным свойством, позволяющим, как будет видно из дальнейшего изложения, напрямую подключать к нему вход RST микроконтроллера с активно низким уровнем (например, P89LPC9XX).
И, наконец, последняя микросхема, которую хотелось бы представить, — микросхема SN75155 от Texas Instruments. Это микросхема, в которой в одном корпусе всего с восемью выводами (DIP8, SOIC8) размещается и приемник, и передатчик. Микросхема не нова, однако мало где применяется и особой популярностью не пользуется. А зря. Микросхема реально работает на высокой скорости (115 кбод), требует всего двух источников питания (V+ = +12 В, V– = –12 В), так как источник питания +5 В встроен. В связи с этим для ее работы не требуется дополнительных конденсаторов для инверторов и удвоителей напряжения (как, например, у ADM3202 и ADM231L). Размах сигнала драйвера составляет ±10 В при работе на два входа приемника (то есть на нагрузку в 2,5 К). Недостатками микросхемы являются стандартное (не пониженное) потребление энергии и невозможность работы с микроконтроллером при питании его от +3 В.
  Помимо специализированных микросхем преобразователей интерфейса RS-232, о которых было рассказано выше, существуют электронные компоненты, вообще говоря, не являющиеся преобразователями, но которые можно использовать в качестве таких преобразователей. Ниже представлены такие компоненты. Это КМОП-транзисторы прямой (BS250 от Vishay) и обратной (2N7000 от Fairchild или Vishay) проводимости с изолированным затвором и КМОП-коммутатор DG419 (от Vishay). Внутренняя структура и цоколевка этих компонентов приведена на рисунке 2:

Рисунок 2 — Нетрадиционные преобразователи интерфейса RS-232

  Транзисторы выпускаются в корпусе TO-92. Сопротивление транзисторов в открытом состоянии составляет около 10 Ом, максимальный ток стока — чуть более 200 мА, максимальное напряжение «сток–исток» — не более 50–60 В, время включения и выключения — около 10 нс, мощность рассеяния — около 0,5 Вт. Максимальное напряжение «затвор–исток» (Uзи_max) составляет ±20 В. Последнее свойство позволяет подключать затвор транзистора непосредственно к линиям RS-232 (напомню, что сигнал передатчика RS-232 составляет около ±10 ÷ ± 12В), в связи с чем транзисторы могут использоваться в качестве приемников RS-232. Единственное, что необходимо предусмотреть, это нагрузочный резистор номиналом в 5 кОм, который следует подключить между затвором и общим проводом («землей»), так как сопротивление (изолированного) затвора транзисторов составляет сотни MOм, а стандарт RS-232 предусматривает входное сопротивление приемника в 5 кOм.
  На рисунке 3 приведены варианты использования КМОП-транзисторов 2N7000 и BS250 в качестве преобразователей интерфейса RS-232 — инвертирующих и неинвертирующих приемников RS-232.

Рисунок 3 — Схемы применения транзисторов 2N7000 и BS250 в качестве приемников интерфейса RS-232

  Из рисунка 3 видно, что транзисторы могут использоваться в ключевом режиме как в схемах с общим истоком (классический ключ) — в таком режиме работают инвертирующие приемники, так и с общим стоком (истоковый повторитель) — в таком режиме работают неинвертирующие приемники. Схемы достаточно просты и в особых комментариях не нуждаются.
  Проверка работы схем заключалась в подаче на затвор транзистора сигнала меандра частотой 115 200 Гц, сформированного передатчиком микросхемы ADM3202, и наблюдения выходного сигнала. Во всех случаях выходной сигнал представлял собой практически прямоугольный меандр.
  Микросхема коммутатора DG419 выпускается в корпусе SOIC8 или DIP8. Напряжения питания V+, V– и VL лежат в следующих пределах: +10 ÷ + 15В, -10 ÷ –15 В и +3 ÷ +5 В соответственно. Сопротивление коммутатора в открытом состоянии составляет около 20 Ом. Коммутатор управляется напряжением, поданным на его управляющий вход (вывод 6). При лог. 1 на управляющем входе выводы 1–8 замыкаются, на что указывает символ «1», стоящий над контактом 8. При лог. 0 замыкаются контакты, связанные с выводами 2–8 (при этом контакты 1–8 размыкаются).
  Микросхема Vishay DG419 по своей структуре и функциям не отличается от микросхем Analog Devices ADG419 и MAXIM DG419. Однако есть одно и очень существенное отличие в свойстве управляющего входа. Дело в том, что коммутатор управляется сигналом, поданным на его управляющий вход (6-й вывод), и этот сигнал в коммутаторах ADG419 (Analog Devices) и DG419 (MAXIM) должен строго соответствовать TTL-уровню (лог. 0 — от 0 до +0,8 В, лог. 1— от +2,4 В до +5 В при VL = +5 В, V– = –12 В,V+ = +12 В). При подаче на этот вход управления сигнала ниже 0 В (например, –10 В) эти две микросхемы автоматически коммутируют этот сигнал на «землю», так  как оснащены входными диодами, защищающими вход управления от отрицательных напряжений (ниже 0 В). У микросхемы DG419 от Vishay таких ограничительных диодов нет, поэтому при VL = +5 В уровень напряжения управляющего сигнала Uупр. в состоянии лог. 0 должен находиться в пределах от V– до 0,8 В, а в состоянии лог. «1» — в пределах от +2,4 В до V+. Если V+ = +12 В, а V– = –12 В, то при Uупр. = ±10 В (уровни интерфейса RS-232) микросхема прекрасно работает и выполняет свои функции. Кроме того, вход управления можно смело подключать напрямую к сигналам с уровнями RS-232, не боясь, что вход будет закорочен на «землю».
Сопротивление открытого канала коммутатора DG419 Vishay (20 Ом) чуть больше, чем у DG419 MAXIM (4 Ом) и меньше, чем у ADG419 Analog Devices (35 Ом). Стоимость DG419 Vishay примерно в два раза меньше, чем ADG419 и примерно в три раза меньше, чем MAXIM DG419.
  Таким образом, DG419 Vishay может работать приемником RS-232. Единственное, что необходимо предусмотреть — нагрузочный резистор в 5 кОм (в соответствии со стандартом RS-232), который необходимо подключить между управляющим входом и общим проводом («землей»), так как входное сопротивление микросхемы составляет несколько МОм (потребление энергии DG419 сверхнизкое). На вход VL можно также подавать не только +5 В, но и +3 В и даже меньше. При этом просто немного поменяется порог срабатывания.
  Кроме того, DG419 может работать и как передатчик RS-232. В отличие от специализированной микросхемы передатчика RS-232, у DG419 более крутые фронты (намного круче, чем 30 В/мкс). На расстояниях до 10–15 м (расстояние от компьютера до микроконтроллера) это свойство ни к каким негативным результатам не приводит.
На рисунке 4 приведены примеры использования коммутатора DG419 в качестве преобразователя интерфейса RS-232 — приемника (инвертирующего и неинвертирующего) и передатчика (инвертирующего).

Рисунок 4 — Схемы применения коммутатора DG419 в качестве преобразователя интерфейса RS-232


  

продолжение

 Структурная схема данного устройства представлена на рисунке 1. Принцип действия следующий. Информация о состоянии датчиков поступает на вход АЦП микроконтроллера. Микроконтроллер обрабатывает полученную информацию и выдает ответ о состоянии системы в целом но интефейсу UART на преобразователь уровней.В преобразователе осуществляется преобразование уровней логики ТТL в уровни RS-232. Далее информация поступает на персональный компьютер.

Рисунок 1 — Структурная схема устройства сопряжения

  Принципиальная схема выглядит следующим образом:

Рисунок 2 — Принципиальная схема устройства сопряжения


  Микросхемы преобразователей уровней интерфейса RS-232 могут преобразовывать стандартный TTL-сигнал в уровни RS-232 и обратно. Если TTL-сигнал преобразовывает преобразовывается в уровни RS-232, то такой преобразователь называется передатчиком RS-232, в противном случае — приемником RS-232. Как передатчик, так и приемник обладают определенными амплитудно-временными характеристиками и, кроме того, нагрузочной способностью. Причем амплитудно-временные характеристики преобразователя в значительной степени зависят от нагрузки (активной и реактивной; как правило, реактивной является емкостная нагрузка), подключаемой к его выходу. Обычно производители подобных микросхем оговаривают максимальную нагрузочную способность конкретного преобразователя или ток, который он может отдать в нагрузку. Кроме того, указывается максимальный размах напряжения на входе преобразователя (это больше относится к приемникам RS-232). Максимальный размах напряжения на входе приемника обычно не должен превышать ±15 В. Во многих преобразователях гарантируется их исправная работа и при значительно больших размахах напряжения (до ±30 В).
  Что касается нагрузочной способности как передатчика, так и приемника, то этот параметр очень важен и будет использоваться в дальнейшем. Как правило, ток, отдаваемый в нагрузку как приемником, так и передатчиком, составляет единицы миллиампер (иногда до 10 мА). 
  Теперь обсудим временные характеристики. На рисунке 3 приведены осциллограммы работы передатчика (слева) и приемника (справа) RS-232, снятые непосредственно с осциллографа.

Рисунок 3 — Осциллограмма работы передатчика и приемника RS-232

  На рисунке 4 – более подробные (идеальные) их начертания с указанными временными соотношениями. На верхнем графике рисунок 4, а показана временная диаграмма входного напряжения передатчика, а на нижнем — выходного напряжения передатчика. Как видно из этих двух графиков, общие времена перехода сигнала на выходе передатчика из высокого уровня в низкий уровень (Товн) и с низкого уровня на высокий (Тонв) складываются из соответствующих задержек (Тзвн, Тзнв) и длительностей спада (Твн) и фронта (Тнв): Товн=Тзвн+Твн и Тонв=Тзнв+Тнв. Началом задержек Тзвн и Tзнв считается переход сигнала на входе через значение напряжения, равное 50% амплитуды входного сигнала (у передатчика). Концом — переход напряжения выходного сигнала через уровень 90% и 10% соответственно. Из графиков также видно, как вычисляются длительности фронта и спада выходного сигнала.
  На практике Тзш и Ттв по сравнению с Твн и Тнв пренебрежимо малы (исключения составляют некоторые микросхемы, на которые мы обратим в дальнейшем внимание), и ими можно пренебречь. 
 Что касается длительностей фронта и спада, то у хорошего преобразователя их значения находятся в диапазоне 30-50 В/мкс.  Увеличение длительностей фронта и спада может нарушить обмен информацией при большой скорости A15200 бод), а уменьшение – привести к возникновению дополнительных помех, особенно на расстояниях порядка десятков метров и более. Если же обмен информацией идет по достаточно короткому кабелю A—2м), то уменьшение длительностей фронта и спада не приводит к каким-либо негативным результатам.

Рисунок 4 — Типичная передаточная характеристика передатчика (а) и приемника (б) RS-232

  Отметим, что длительности фронта и спада, так же, как и амплитуда выходного сигнала передатчика, тесно связаны с нагрузкой, подключаемой к его выходу. При большей нагрузке на передатчик амплитуда выходного сигнала уменьшается, а длительности фронта и спада увеличиваются.
  И, наконец, последнее, чем характеризуются преобразователи уровней интерфейса RS-232, это потребление энергии (или потребление тока). В более старых микросхемах, которые, кстати, до сих пор применяются (правда, только в настольных компьютерах) потребление тока может достигать 20, 30 мА и более (иногда — до 60 мА), так как они сконструированы на TTL-элементах (биполярных транзисторах). Современные КМОП-микросхемы преобразователей потребляют ток от долей миллиампер (иногда даже от единиц микроампер) до 1—2 мА.
  Для решения задачи преобразования уровней было решено взять готовую микросхему, и так как основными критериями ее выбора, в данном случае, является скорость передачи данных и напряжение питания, было решено использовать ADM202, с напряжением питания 3,3В и скоростью передачи данных 115200 кбит/с. 
  Далее стоял вопрос по реализации аналового-охранного шлейфа. Он должен иметь четыре основных состояния: «НОРМА», «РАЗРЫВ», «КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ» и «ТРЕВОГА». Для его питания согласно ГОСТ 26342-84 «Средства охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации», было использовано напряжение 12В. Будем использовать типовую схему (рисунок 5)

Рисунок 5 — Схема охранного шлейфа

  Сопротивления резисторов выбираем таким образом, чтобы падение напряжения было разным, для исключения пересечения комбинаций. Таким образом, имеем:
R1=1КОм; R2=0,5КОм; R3=0,1КОм; R4=7КОм; R5=2КОм; R6=5КОм; Rок=0,5Ком.
  При режиме работы «НОРМА», падение напряжения на резисторе R4 составит до 7,6 В, это значит что при отсутствии других источников питания, максимальное напряжение на АЦП микроконтроллера составит 4,4 В.
  Для обеспечения безопасности микроконтроллера будем использовать стабилитрон с пробивным напряжение 4,8 В, в таком случае, после повреждения шлейфа («РАЗРЫВ»), напряжение на микроконтроллере будет около 5 В.
  Для определения состояния шлейфа используется микроконтроллер со встроенным АЦП. Так же микроконтроллер должен иметь встроенный интерфейс приемо-передачи данных UART и супервизор, для того чтобы исключить некорректную работу устройства при падении напряжения питания. Для этих целей был выбран микроконтроллер C8051F330 от компании Silicon Labs.




источник - _make-smart-room.com

Категория: Статьи | Просмотров: 4322 | Добавил: Denis_K | Рейтинг: 3.7/3
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Copyright Блог электроники 2017
Поиск
Архив записей
Календарь
«  Сентябрь 2013  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
      1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
30
Статистика
Друзья

    Корзина
    Ваша корзина пуста