Последовательный интерфейс RS-232 — обзор стандарта

Это широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных, определяемый стандартом EIA RS-232-C и рекомендациями V.24 CCITT. Изначально он создавался для связи компьютера с терминалом. В настоящее время используется в самых различных сферах.

Интерфейс RS-232-C соединяет два устройства. Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс) Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих управляющих символов). Возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных RS-232 линий для обеспечения функций определения статуса и управления.

Стандарт	EIA RS-232-C, CCITT V.24
Скорость передачи	115 Кбит/с (максимум)
Расстояние передачи	15 м (максимум)
Характер сигнала	несимметричный по напряжению
Количество драйверов	1
Количество приемников	1
Схема соединения	полный дуплекс, от точки к точке

Порядок обмена по интерфейсу RS-232C:

Наименование	Направление	Описание	Контакт (25-контактный разъем)	Контакт (9-контактный разъем)
DCD	IN	Carrier Detect (Определение несущей)	8	1
RXD	IN	Receive Data (Принимаемые данные)	3	2
TXD	OUT	Transmit Data (Передаваемые данные)	2	3
DTR	OUT	Data Terminal Ready (Готовность терминала)	20	4
GND	—	System Ground (Корпус системы)	7	5
DSR	IN	Data Set Ready (Готовность данных)	6	6
RTS	OUT	Request to Send (Запрос на отправку)	4	7
CTS	IN	Clear to Send (Готовность приема)	5	8
RI	IN	Ring Indicator (Индикатор)	22	9

Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств (принтера, сканера, модема, мыши и др.), а также для связи компьютеров между собой. Основными преимуществами использования RS-232C по сравнению с Centronics являются:

• возможность передачи на значительно большие расстояния;
• гораздо более простой соединительный кабель.

В то же время работать с ним несколько сложнее. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Они могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим).

• Смотрите схему реобаса для ПК

Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем для подключения RS-232C. Назначение контактов разъема приведено в таблице.
Назначение сигналов следующее:

1. FG — защитное заземление (экран).
2. TxD — данные, передаваемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная).
3. RxD — данные, принимаемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная).
4. RTS — сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.
5. CTS — сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника.
6. DSR — готовность данных. Используется для задания режима модема.
7. SG — сигнальное заземление, нулевой провод.
8. DCD — обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала).
9. DTR — готовность выходных данных.
10. RI — индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по телефонной сети.

Наиболее часто используется трех- или четырехпроводная связь (для двунапрвленной передачи). Схема соединения для четырехпроводной линии связи показана на рисунке ниже.

Для двухпроводной линии связи в случае только передачи из компьютера во внешнее устройство используются сигналы SG и TxD. Все 10 сигналов интерфейса задействуются только при соединении компьютера с модемом.
Формат передаваемых данных показан на рисунке ниже. Собственно, данные (5, 6, 7 или 8 бит) сопровождаются стартовым битом, битом четности и одним или двумя стоповыми битами. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определенные интервалы времени. Очень важно, чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковыми, допустимое расхождение — не более 10 %). Скорость передачи по RS-232C может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с.

Все сигналы RS-232C передаются специально выбранными уровнями, обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи (рисунок ниже). Отметим, что данные передаются в инверсном коде (логической единице соответствует низкий уровень, логическому нулю — высокий уровень).
Для подключения произвольного УС к компьютеру через RS-232C обычно используют трех- или четырехпроводную линию связи, но можно задействовать и другие сигналы интерфейса.

Обмен по RS-232C осуществляется с помощью обращений по специально выделенным для этого портам:

• COM1 (адреса 3F8h…3FFh, прерывание IRQ4);
• COM2 (адреса 2F8h…2FFh, прерывание IRQ3);
• COM3 (адреса 3F8h…3EFh, прерывание IRQ10);
• COM4 (адреса 2E8h…2EFh, прерывание IRQ11).

Форматы обращений по этим адресам можно найти в многочисленных описаниях микросхем контроллеров последовательного обмена UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), например, i8250, КР580ВВ51.

Распайка RS-232

Рис. 2. 9-контактный соединитель DB9

В таблице 1 показано назначение контактов 9-контактного соединителя DB9. Таблица показывает распайку вилки оборудования обработки данных (DTE). Розетка устройства передачи данных (DCE) распаяна так, что два разъема стыкуются напрямую, или через кабель, распаянный «контакт в контакт».

Таблица 1. Назначение контактов соединителя DB9

Вывод	Сигнал	Описание	Тип вывода
1.	CD (Carrier Detect)	Несущая обнаружена	Вход
2.	RxD (Receive Data)	Принимаемые данные	Вход
3.	TxD (Transmit Data)	Передаваемые данные	Выход
4.	DTR (Data Terminal Ready)	Готовность ООД	Выход
5.	SG (Signal Ground)	Сигнальный общий	—
6.	DSR (Data Set Ready)	Готовность ОПД	Вход
7.	RTS (Request To Send)	Запрос на передачу	Выход
8.	CTS (Clear To Send)	Готовность к приему	Вход
9.	RI (Ring Indicator)	Наличие сигнала вызова	Вход

Рис. 3. Распайка кабеля RS-232

Для передачи данных предназначены цепи RxD (RD) и TxD (TD). Остальные цепи предназначены для индикации состояния устройств (DTR, DSR), управления передачей (RTS, CTS) и индикации состояния линии (CD, RI). Набор используемых цепей зависит от аппаратной и программной реализации стыка в контроллере. Для соединения двух DTE-устройств используют так называемые нуль-модемные кабели, в которых провода «перекрещиваются» в соответствии с назначением сигналов. На практике перед распайкой кабеля всегда следует разобраться с документацией на оба соединяемых устройства. Для соединения многих устройств достаточно минимального набора цепей интерфейса RS-232: RD, TD и Signal Ground (рис. 3).

Рекомендуется использовать кабели на основе витой экранированной пары, где каждый из сигнальных проводов свит с общим проводом. Экран кабеля рекомендуется не объединять с сигнальным общим, а подключить к металлической оболочке разъема.

Таблица 2. Назначение контактов соединителя DB25

Вывод	Сигнал	Описание	Тип вывода
1.		Корпус
2.	TxD (Transmit Data)	Передаваемые данные	Выход
3.	RxD (Receive Data)	Принимаемые данные	Вход
4.	RTS (Request To Send)	Запрос на передачу	Выход
5.	CTS (Clear To Send)	Готовность к приему	Вход
6.	DSR (Data Set Ready)	Готовность ОПД	Вход
7.	SG (Signal Ground)	Сигнальный общий
8.	CD (Carrier Detect)	Несущая обнаружена	Вход
9.		Токовый выход передатчика (+)	Выход
11.		Токовый выход передатчика (–)	Выход
18.		Токовый вход приемника (+)	Вход
20.	DTR (Data Terminal Ready)	Готовность ООД	Выход
22.	RI (Ring Indicator)	Наличие сигнала вызова	Вход
25.		Токовый вход приемника (–)	Вход

Таблица 3. Соответствие выводов между 9 и 25-контактным разъемами

9-контактный разъем	25-контактный разъем
1	8
2	3
3	2
4	20
5	7
6	6
7	4
8	5
9	22

Все сигналы в интерфейсе потенциальные, с номинальными уровнями +12В и –12В относительно общего провода (Signal Ground). Логической единице соответствует уровень –12В, логическому нулю соответствует +12В.

Как уже говорилось, RS-232 называют последовательным интерфейсом, поскольку поток данных передается по одному проводу бит за битом. В отсутствие передачи данных линия находится в состоянии логической единицы (–12В). Скорость передачи данных стандартом не нормируется, но обычно выбирают из ряда 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бит в секунду. В основном используется асинхронный режим работы, при котором данные передаются фреймами. Каждый фрейм состоит из стартового бита, битов данных, бита контроля четности (может отсутствовать), стопового бита. Биты байта данных передаются, начиная с младшего бита.

Для правильной стыковки приемопередатчики на обоих устройствах должны быть запрограммированы одинаковым образом, т.е. должны совпадать скорость, количество битов данных (7 или 8), тип контроля по четности, длина стопового бита (1, 1.5 или 2).

При точных расчётах времени на передачу массива байтов наряду с битами данных следует учитывать все служебные биты.

На рис. 4 показан вид одного фрейма RS-232 при следующих настройках: 8 битов данных, контроль по нечетности (parity odd), 1 стоповый бит. Стартовый бит всегда идет с уровнем логического нуля, стоповый – единицы. Состояние бита четности определяется настройкой передатчика. Бит дополняет число единичных битов данных до нечетности (parity odd), четности (parity even), может не использоваться (parity none), быть всегда единицей (mark) или нулем (space).

Рис. 4. Вид фрейма RS-232

Типы разъемов

Рис. 1. 25-контактный соединитель типа DB25

Изначально стандарт RS-232 описывал применение 25-контактного соединителя типа DB25 (Рис.1). DTE-устройство должно оснащаться вилкой, DCE-устройство – розеткой. Позднее, с появлением IBM PC, стали использовать усеченный вариант интерфейса и 9-контактные соединители DB9 (рис. 2), наиболее распространенные в настоящее время.

Как преодолеть ограничения стандарта RS-232

Наиболее существенными недостатками стандарта RS-232 являются небольшое расстояние, на которое можно передавать сигнал и возможность соединения только двух устройств по типу «точка-точка».

Для их преодоления используют специальные устройства – удлинители линии и расширители портов.

Удлинитель линии связи Range Extender

Предназначен для преодоления ограничений по расстоянию для приборов, имеющих управление через RS-232.

Осуществляет преобразование в интерфейс RS-422, а затем назад, в RS‑232, что позволяет использовать в качестве физического носителя две пары проводов. Удлинитель линии может быть использован для увеличения расстояния связи для любого нуль-модемного соединения RS-232, для управления оборудованием через интерфейс RS-422, либо в качестве преобразователя общего назначения из RS-232 в RS-422 и обратно.

Работает во всех режимах связи (число битов, скорость, чётность и т.д.) и не требует настройки этих параметров.

Как это работает

Интерфейс RS-232 обеспечивает соединение двух устройств, одно из которых называется DTE (Data Terminal Equipment) – ООД (Оконечное Оборудование Данных), второе – DCE (Data Communications Equipment) – ОПД (Оборудование Передачи Данных).

До появления интерфейсов IEEE-1394 и USB‑2 асинхронный последовательный интерфейс был основным устройством, с помощью которого осуществлялось взаимодействие компьютеров. Слово «асинхронный» означает, что при передаче данных специальный синхронизирующий сигнал не используется, и отдельные символы могут передаваться с произвольными временными интервалами.

Каждый символ должен быть «взят в скобки» т.е. ему должен предшествовать стандартный стартовый сигнал, а заканчиваться его передача должна стоповым сигналом. Стартовый сигнал – это нулевой бит (с уровнем логического 0), который называется стартовым битом. Его предназначение – сообщить принимающему устройству о том, что следующие восемь бит представляют из себя байт данных. После символа передаются один или два стоповых бита, сигнализирующие об окончании его передачи. В принимающем устройстве символы распознаются по появлению стартовых и стоповых сигналов, а не по моменту их передачи. Асинхронный интерфейс ориентирован на передачу символов (байтов), а в передаваемой информации примерно 20% оказывается «лишней», предназначенной только для идентификации начала и конца каждого символа.

Термин последовательный означает, что связь осуществляется по одиночному проводу, а биты передаются последовательно, один за другим.

Интерфейс RS-232 обеспечивает соединение двух устройств, одно из которых называется DTE (Data Terminal Equipment) – ООД (Оконечное Оборудование Данных), второе – DCE (Data Communications Equipment) – ОПД (Оборудование Передачи Данных).

Важно запомнить эти обозначения (DTE и DCE). Они используются в названиях сигналов интерфейса и помогают разобраться с описанием конкретной реализации.

Заглушка для RS232

Ниже представлена распайка разъемов RS232 для тестирования компьютерного последовательного порта. Линии данных и квитирования соединены. В этом случае, посылаемые данные немедленно возвращаются назад и анализируются стандартным программным обеспечением проверки последовательного порта.

DB9	DB25	Назначение
1 + 4 + 6	6 + 8 + 20	DTR -> CD + DSR
2 + 3	2 + 3	Tx -> Rx
7 + 8	4 + 5	RTS -> CTS

Распиновки кабелей RS-232

Рассмотрим стандартные и не очень распиновки кабелей.
Условные обозначения:

• F — «мама»;
• M — «папа»;
• «-» — соединение;
• «х» — нет соединения;
• «+» — линии объединяются.

DTE 9 F <--> DCE 9 M
Применяется для соединения таких устройств как компьютер и модем.
Соединение прямое:

• 1 — 1
• 2 — 2
• 3 — 3
• …
• …
• 9 — 9

Примечание: Экраны соединяются.
DTE 9 F <--> DTE 9 F (Null-modem 9)
Применяется для соединения таких устройств как компьютер и компьютер.
Соединение:

• 1+7- 8
• 2 — 3
• 3 — 2
• 4 — 6
• 5 — 5
• 6 — 4
• 7+1 — 8
• 8 — 1+7

Примечание: 1 и 7 контакты на разъемах соединены между собой. 9 не используется. Экраны соединяются.
DTE 25 F <--> DCE 9 M
Применяется для соединения таких устройств как компьютер (25-пиновый разъем) и 9-пиновая мышь (или модем).
Соединение:

• 2 — 3
• 3 — 2
• 4 — 7
• 5 — 8
• 6 — 6
• 7 — 5
• 8 — 1
• 20 — 4
• 22 – 9

Примечание: Остальные не используются. Экраны соединяются.
DTE 9 F <--> DCE 25 M
Применяется для соединения таких устройств как компьютер (9-пиновый разъем) и 25-пиновая мышь (или модем).
Соединение:

• 1 — 8
• 2 — 3
• 3 — 2
• 4 — 20
• 5 — 7
• 6 — 6
• 7 — 4
• 8 — 5
• 9 — 22

Примечание: Остальные не используются. Экраны соединяются.
DTE 25 F <--> DCE 25 M
Применяется для соединения таких устройств как компьютер (25-пиновый разъем) и 25-пиновая мышь (или модем).
Соединение прямое:

• 1 — 1
• 2 — 2
• 3 — 3
• 4 — 4
• …
• …
• 24 — 24
• 25 – 25

Примечание: Экраны соединяются.
DTE 25 F <--> DTE 25 F (Null-modem Универсальный 25)
Применяется для соединения таких устройств как компьютер (25-пиновый разъем) и компьютер (25-пиновый разъем).

Соединение:

• 1 — 1
• 2 — 3
• 3 — 2
• 4 — 5
• 5 — 4
• 6+8 — 20
• 7 — 7
• 20 — 6+8

Примечание: Остальные не используются. Экраны соединяются.
Заглушка на COM-порт 9 pin F
Применяется для тестирования коммуникационных приложений.
Соединение:

• 2+3
• 1+6+4
• 7+8

Примечание: Остальные не используются.
Заглушка на COM-порт 25 pin F
Применяется для тестирования коммуникационных приложений.
Соединение:

• 2+3
• 4+5
• 6+8+20

Примечание: Остальные не используются.

Как получить 5 вольт от порта RS-232?

Список необходимых деталей:

1. Линейный регулятор — L78L05.
2. 2 выпрямительных диода (D1, D2) — 1N4004.
3. Электролитический конденсатор (C1) — 22 мкФ.
4. Конденсатор (C2) — 0.001 мкФ.
5. 2 резистора (R1, R2) — 43 Ом.

В схеме используется LM78L05 или советский аналог на 5В. Диоды любые. Напряжение +5В получается из сигналов RTS и DTR в RS-232. Эта схема даже из портативного компьютера может выдавать ток 12 мА. Единственный недостаток — то, что устройство транзисторно-транзисторной логики должно быть изолировано от корпуса компьютера, потому что интерфейс воспринимает корпус RS-232 как положительное напряжение.

Устройства с RS232 в ассортименте АВЕОН:

Конвертеры интерфейсов

Конвертеры Advantech серии ADAM-4500

Преобразователи ICP DAS серий I-7000, tM

ICP DAS серий PPDS, PDS / Программируемые

Преобразователи MOXA серии A52/A53

Конвертеры MOXA серии TCC

Конвертеры Dataforth

Конвертеры RS-232C в RS-485

Удлинители интерфейса Dataforth

Устройства защиты

Серверы последовательных интерфейсов

Ethernet в RS-232, RS-422, RS-485

MOXA серии NPort IA-5000 и 5000AI / Для жестких условий эксплуатации

ICP DAS / Программируемые

MOXA серий MiiNePort, NE-4000 / Бескорпусные

MOXA серии NPort / С беспроводным Ethernet

MOXA серии NPort S8400I / Со встроенным коммутатором

MOXA серии NPort 6000 и CN-2000 / Терминальные с защитой данных

Медиаконвертеры

RS-232/422/485 => оптоволокно

Мультипортовые платы

PCI Express платы RS-232/422/485

PCI / Universal PCI платы RS-232/422/485

ISA платы RS-232/422/485

PC/104 модули

Платы и модули CAN

LAN и USB

FRNET

GPIB, IEEE-488

Шлюзы протоколов

Modbus TPC / Modbus RTU

EtherNet/IP

EtherCAT

CAN

HART

Profinet

Profibus DP

BACnet

Для энергетики

Для Интернета Вещей (IoT)

Беспроводное оборудование

Модемы GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSPA/3G

Сотовые 3G-роутеры

Сотовые шлюзы

Модули удаленного ввода-вывода

RS-485 (DCON, Modbus)

EtherNet

EtherNet IP

EtherCAT

CAN

Profinet

Profibus

Wi-Fi, ZigBee, GPRS, HSDPA

Motionnet

Frnet

Bacnet

USB

Модули Dataforth

Расширитель портов Port Extender

Предназначен для преодоления ограничения интерфейса RS-232, который может осуществлять только соединения типа «точка-точка». Позволяет осуществлять связь между несколькими устройствами с интерфейсами RS-232.

Данные, которые поступают на любой из портов устройства, пересылаются на остальные 3 порта. Расширитель портов может быть использован для управления коммутатором от 3 устройств DTE (например, компьютеров).

Прибор поддерживает все режимы связи RS-232 (число битов, скорость, чётность и т.д.) и не требует настройки этих параметров.

Преобразователи интерфейса RS-232

Конвертер RS-232 в TTL

При разработке различного рода электронных устройств с использованием микроконтроллеров очень часто оказывается полезной возможность подключения их к персональному компьютеру через последовательный порт. Однако напрямую это сделать невозможно, поскольку по стандарту RS-232 сигнал передается уровнями -3…-15 В (логическая <1>) и +3..+15В (логический <0>).
Для преобразования уровней RS-232 в стандартные логические уровни TTL обычно используют специальные микросхемы преобразователей. Однако далеко не всегда имеет смысл закладывать преобразователь уровней в схему проектируемого устройства, поскольку часто бывает так, что связь с компьютером нужна только на этапе изготовления и отладки устройства, а для конечного изделия в ней нет никакой необходимости.

• Читайте также о независимом подключении двух винчестеров в компьютере

Логичным выходом в данной ситуации может послужить изготовление отдельного преобразователя уровней RS-232 в TTL. Схема одного из возможных вариантов приведена ниже:

Необходимые детали:

1. ИС RS-232 интерфейса (U1) — MAX232A.
2. Линейный регулятор (U2) — LM78L05A.
3. Диод (D1).
4. Конденсатор (С1-С5) — 5х0.1 мкФ.
5. Электролитический конденсатор (С6) — 4.7 мкФ.
6. Разьем (Cn1) — TTL.
7. Разьем (Cn2) — RS-232.

Основу предлагаемого конвертера составляет широко распространенная микросхема преобразователя уровней MAX232A фирмы Maxim (U1), которая имеет также множество аналогов других производителей (Analog Devices, LG и др.). Данная микросхема рассчитана на напряжение питания 5В и имеет встроенные удвоитель и инвертор напряжения на переключаемых конденсаторах для получения напряжений +10 В, необходимых для работы с сигналами стандарта RS-232. Для работы микросхемы требуется 4 внешних конденсатора (C1, C2, C3, C4) емкостью 0.1 мкФ, которые используются в преобразователе напряжения.
Кроме того, с целью упрощения использования данного преобразователя в нем предусмотрена схема питания прямо от последовательного порта, что избавляет от необходимости использования внешних источников питания.

• Рекомендуем узнать, как выполнить уникальный моддинг системного блока ПК в корпусе из оргстекла

Напряжение питания 5 В создается маломощным линейным стабилизатором напряжения LM78L05 (U2), вход которого подключен к накопительному конденсатору C6. Конденсатор C6 заряжается через диод от сигнала Data Terminal Ready (DTR, четвертый контакт 9-pin разъема RS-232). Диод D1 может быть любого типа (у нас использован диод в корпусе для поверхностного монтажа, выпаянный со сгоревшей материнской платы). Для нормальной работы такого преобразователя питания требуется, чтобы большую часть времени сигнал DTR имел значение логического нуля. Это должно обеспечиваться используемой терминальной программой или программой пользователя.
Использование описанного выше преобразователя RS-232 в TTL оказывается удобным в тех случаях, когда в процессе эксплуатации устройства не требуется наличие возможности связи с компьютером, но она нужна на этапе отладки или изготовления устройства. Типичным примером этого может служить, например, устройство с flash или EEPROM памятью, требующей начальной инициализации. Кроме того, часто бывает очень удобно в процессе разработки выводить в последовательный порт различного рода отладочную информацию, что иногда позволяет обойтись без аппаратных эмуляторов.

Преобразователь интерфейса RS232–RS422

Конвертер собран на SMD элементах и помещается в корпусе разьёма Sub-D9.
Все резисторы — 0.25 Вт, конденсаторы 16В. Корпус COM-порта соединен с -5В. Питание 5В взято с RJ-45.

Печатную плату можно скачать ниже:
Файлы для скачивания: rs232rs422.rar

Распиновка разъема RS232

9-и контактная (DB9) версия RS232
25-и контактная (DB25) версия RS232

На схеме 25-и контактного разъема RS232 черным цветом отмечены выводы, общие для обоих типов разъемов. На рисунке и таблице ниже показана распайка переходника с 25-контактного разъема на 9-и контактный.

Нуль-модемные кабеля для RS232

Простейшим способом соединить между собой два компьютера является использование нуль-модемного кабеля RS232. Для простого решения достаточно трехпроводной схемы RS232, где один провод является сигнальной землей, второй — приемником, третий — передатчиком. Но в зависимости от типа программного обеспечения, может потребоваться какой-то вид квитирования. Ниже представлены наиболее популярные типы нуль-модемных кабелей для RS232.

Простой нуль-модемный кабель без квитирования

Эта простейшая распайка кабеля не позволяет осуществить контроль приема-передачи данных на «железном уровне», но на программном уровне контроль возможен с помощью анализа XOFF и XON символов. Далеко не все программы способны работать с таким кабелем. Это скорее теоретическая концепция. Существуют также конструкции кабелей с симуляцией квитирования на «заглушке» и частичным квитированием без возможности контроль приема-передачи данных на «железном уровне». Ниже представлена распайка кабеля RS232 с полным квитированием, рекомендованная Microsoft.

Переходной кабель с 25 pin RS232 на 9 pin

DB9	DB25	Назначение
1	8	Data carrier detect
2	3	Receive data
3	2	Transmit data
4	20	Data terminal ready
5	7	Signal ground
6	6	Data set ready
7	4	Request to send
8	5	Clear to send
9	22	Ring indicator