У стандартного модемного интерфейса (rs232) кроме линий RxD и TxD есть еще куча разных, их называют “сигналами квитирования”. Я всегда путался в них — во всех этих RTS’ах, CTS’ах и прочих DSR’ах. В этой статье, я попробую систематизировать и кратко описать эти сигналы.
Итак, первое что стоит знать – интерфейс rs232 соединяет два типа устройств
Сигналы я буду описывать на примере 9-контактного разъема, так как он самый распространенный. Взглянем на него.
Как видно, контакты на разъемах перевернуты. Таким образом, прямой провод соединит контакты с одинаковыми номерами, тоесть, к примеру, контакту 2 на “папе” будет соответствовать контакт 2 на “маме”.
А вот и сводная табличка сигналов. Под названием вывода – номер его штырька в 9-контактном разъеме.
| Сигналы, которыми управляет компьютер | Сигналы, которыми управляет модем |
| Передача данных компьютером, прием модемом | TxD 3 | ||
| RxD 2 | Передача данных модемом, прием компьютером | ||
| Компьютер готов передавать данные, либо компьютер разрешает модему передавать данные | RTS 7 | ||
| CTS 8 | Модем разрешает компьютеру передавать данные | ||
| DSR 6 | Готовность модема к работе. | ||
| Готовность компьютера к работе. | DTR 4 | ||
| RI 9 | Индикатор звонка | ||
| DCD 1 | Индикатор наличия несущей. Устанавливается после соединения. | ||
| Земля | SG 5 | SG 5 | Земля |
Ну, и немного подробнее опишем каждый сигнал.
Я буду рассматривать сигналы обычных логических уровней – так, как они выглядят на выходах или входах микроконтроллера.
Сигналы в кабеле (после преобразователя уровня, к примеру max232) перевернуты и уровни сдвинуты. Так, логической 1 на выходе контроллера соответствуют уровни напряжения от –3 до –15 вольт, а логическому нулю – +3…+15 вольт.
Содержание
TxD (Tramsmit Data)
Сразу скажу, что откуда в сокращении буква “x” – я не знаю.
По этой линии происходит передача данных от компьютера к модему. По умолчанию на ней — высокий уровень. Прием байта начинается по стартовому биту (а точнее, по переходу линии из высокого состояния в низкое). Стартовый бит всегда является логическим нулем.
Далее, передаются данные. Обычно это 8 бит, хотя бывает и по другому. Данные передаются младшим битом вперед и в прямой логике (нулю на ножке контроллера соответствует принятый нулевой бит).
После этого идет не обязательный бит четности (на картинке его нет). Бит четности дополняет количество единиц до четного (even) или нечетного (odd). К примеру, если в байте было 3 единицы и четность установлена как “even”, то бит четности будет равен 1, чтобы дополнить количество единиц до четырех – четного числа. Четность служит для проверки правильности передачи байта.
После бита четности идет один, один с половиной или два стоп-бита. Стоп бит используется, чтобы правильно отработался старт-бит (чтобы между байтами всегда был перепад из высокого уровня в низкий). Это бит всегда установлен в логическую 1.
К примеру, передача 0xEE будет выглядеть на линии UART’а так:
Параметры последовательного порта обычно пишут так – “9600, 8N1”. 9600 – это скорость передачи бит/с, 8 – количество бит данных в посылке, N – бит четности не используется (может быть E или O, если используется), 1 – один стоп бит.
Заметьте, что количество передаваемых байт в секунду зависит не только от скорости передачи, но и от формата байта. К примеру, один байт в формате 8N1 занимает 10 бит (стартовый + 8 бит данных + стоповый), а в формате 8E1 уже 11бит – добавляется бит четности. Соответственно, байтовая скорость при битовой 9600бод станет 960байт/с в первом случае и 872.7байт/с во втором.
RxD (Receive Data)
Тоже самое, что и TxD, только хозяин этой линии – модем.
CTS (Clear To Send)
Рассмотрим такую ситуацию – компьютер отправляет модему большое количество данных на скорости 38400 бод, а модем подключен к другому модему на скорости 9600 бод.
Буфер внутри модема быстро заполняется, и, для того, чтобы он не переполнился, модем должен сообщить компьютеру “прекрати передачу!”. Для этого и служит линия CTS.
Активный уровень CTS – низкий. Тоесть, модем разрешает передачу данных, когда на ножке контроллера 0.
Пример из руководства по LPC17xx.
Как видно, компьютер передавал данные, пока на ножке был ноль. Когда появился высокий уровень, компьютер закончил передавать текущий байт и остановился.
RTS (Request To Send)
Вот с этой ножкой неразбериха. Проблема в том, что на месте этой ножки по стандарту могут быть два сигнала – RTS (номер цепи по стандарту — 105) и RTR (номер 133).
RTS (Ready To Send) – компьютер сигнализирует модему о том, что он сейчас будет передавать данные. Модем должен приготовиться и активировать CTS, после чего компьютер начинает передавать данные.
RTR (Ready To Receive) – компьютер сообщает модему о том, что он готов принимать данные. Это – аналог CTS, только со стороны компьютера.
Сейчас основная часть оборудования использует RTS как RTR! И даже аппаратное квитирование у LPC17xx, LPC2xxx, AT91SAM7 реализует именно механизм RTR.
Активный уровень как и у CTS – низкий.
Рассмотрим механизм подробнее на примере из руководства по LPC17xx
Сначала — сигнал RTS – низкий, принимаются байты.
Как только буфер приемника заполнился N символами, RTS переходит в высокое состояние, что запрещает модему передавать данные. Но, как видно, модем не успел среагировать на RTS и передал еще один байт, поэтому очень важно оставлять в буфере запас для как минимум одного байта.
Далее, байты читаются, и, когда их количество в буфере становится равным M, RTS возвращается в низкое состояние (разрешает модему передавать данные).
DTR (Data Terminal Ready)
Сигнал от компьютера к модему, обозначающий, что компьютер включен и котов к работе с модемом. Активное состояние, как обычно, низкое. Тоесть, если на ножке контроллера 0, то модем должен подготовиться к подключению к линии. Если-же компьютер выставит на этой ножке логическую 1, то модем обязан отключиться от линии (положить трубку, к примеру)
DTR также часто использовался как источник питания для внешнего малопотребляющего оборудования (к примеру, для мышки).
DSR (Data Set Ready)
Сигнал от модема к компьютеру. Говорит о том, что модем включен, проинициализирован, и готов к общению с компьютером. До тех пор, пока этот сигнал не активен нет смысла передавать что-либо в модем. Модем готов, когда на ножке контроллера логический 0.
RI (Ring Indicator)
Сигнал от модема к компьютеру. Как не сложно догадаться, этот сигнал дергается, когда на модем звонят. Скорость переключения сигнала – маленькая, порядка секунд, сигнал довольно точно повторяет огибающую звонка (огибающую того, что вы слышите, когда звонит аналоговый телефон).
На практике, этот сигнал используется редко. Обычно программа просто ждет сообщения “RING” от модема.
Логический 0 на ножке контроллера значит, что идет вызов.
DCD (Data Carrier Detect)
Сигнал от модема к компьютеру. Сообщает компьютеру о том, что модем подключен к удаленному модему. Эта ножка – очень важна, так как дает возможность определить спонтанные отключения.
Логический 0 означает, что связь между модемами активна.
Теперь кратко про кабель
Теперь про кабель. Стандарт определяет максимальную емкость кабеля как 2.5нФ. Это, примерно, 25метров.
Однако, на практике, это ограничение игнорируют, так как целостность сигнала определяется не только емкостью но и скоростью. Вот максимальные длинны, используемые на практике для низких скоростей.
| Скорость (бод) | Длинна экранированного кабеля, метры | Длинна неэкранированного кабеля, метры |
| 110 | 1500 | 300 |
| 300 | 1200 | 300 |
| 1200 | 900 | 150 |
| 2400 | 600 | 150 |
| 4800 | 150 | 75 |
| 9600 | 75 | 30 |
Стандарт
Если у вас остались какие-то вопросы, то лучше обратиться непосредственно к стандарту. как оказалось, найти его довольно сложно, поэтому выкладываю еще и у себя.
Сигналы CTS (Clear To Send) и RTS (Ready To Send) используются в протоколе приема/передачи для предотвращения потерь данных, связанных с неготовностью одной из сторон принять данные (часто это называют термином ‘CTS-RTS handshake’).
Обычно при соединении двух устройств CTS (вход) одного устройства соединяется с RTS (выход) другого. Алгоритм работы довольно прост:
— RTS является выходом. Изначально RTS == 0. Когда входной буфер переполнен, RTS становится == 1. Когда входной буфер снова получает место для данных, RTS снова становится == 0.
— По такому же принципу работает CTS. CTS является входом, который проверяется перед отправкой данных. Если CTS == 1 by the sender, это значит, что удаленное устройство пока не готово принять данные, и нужно подождать. Только когда CTS == 0 можно передавать данные.
Последовательный порт (далее ПП) удобный инструмент для общения между разными периферийными устройствами (как собранные самостоятельно на основе какого-нибудь МК, так и заводские: принтеры, осциллографы и т.д.) с одной стороны, и ПК с другой. На сегодняшний день наиболее популярные из всех ПП являются RS232 стандарт (переводится как «Recommended Standard») за его простоту и USB стандарт («Universal Serial BUS») за его резвость.
USB бесспорно вещь полезная, но жудко навороченная. Поскольку многим самодельным устройствам бешенный обмен данными с ПК неособо нужон, тогда на помощи приходит простой, надежный и многоопытный RS232 Интерфейс.
По RS232 стандарту устройства участвующие в обмене данными бывают двух типов:
Data Terminal Equipment (DTE) (устройство отдающее команды — ведущий) и
Data Circuit-Terminating Equipment (DCE) (периферия, обслуживающая хозяина — ведомый). Нередко, некоторые периферийные устройства ведут себя как DTE (например осциллографы, или наши с вами девайсы).
Модемное соединение — подрозумеваеи наличие некой иерархии, тоесть в случае когда в обмене данными участвуют больше чем два устройства им необходим некий арбитр (модем), разрешающий в определенный момент времени отсылать данные только одному устройству (в то время как читать могут хоть все остальные). Модемом может быть что угодно: отдельный девайс, или один из участников обмена данными, главное недопустить потери данных.
В случае когда устройств только два, или есть явный ведущий которого слушаются все остальные, никакого посредника им не нужно, а это означает что к их общению больше никто не подключится, и никакого арбитра в лице модема им не надо ( в отличие от предыдущего типа соединения, когда к одному принтеру можно подключить штук 10 ПК ). Опять-же главное недопустить одновременной отправки данных — в определенный момент времени, общатся может только одна пара устройств. Такое соединение называется нуль-модемное соединение:
Типы передач данных
Минимальное количество проводков необходимое для обмена данными равно двум (этокий жадный изврат), если передача является односторонней ([Tx, GND]). В случае когда необходимо полноценное — двухстороннее общение число проводков возростает аж до трех ([Rx, Tx, GND]). Большинство периферийных устройств поддерживают одновременную передачу и прием данных — full-duplex, но если один из собеседников на такое не способен, обмен переходит в разряд неполноценных — half-duplex (пока один не закончил передачу/прием другой пляшит под его дудку).
Распиновка COM разъёма
В столбце Signal Name, DATA Terminal можно заменить на ПК (то есть Data Terminal Ready соответствует ПК готов к работе), а DATA Set на Периферия.
Как следует из предыдущей таблицы, все пины делятся на управляющие (control pins) и транспортные (Data pins). Каждый пин в определенный момент времени может находьтся только в одном из двух состояний: активном (on) или неактивном (off). Чтобы не запутатся, и както защитить данные от помех, разработчики решили что во время передачи данных они были сначало усилены (+5В –> +12В, 0В –> -12В ) а потом инвертированы, в то время как c управляющими сигналами они долго не парились и просто их усилели (тоесть положительное стало еще положительней а отрицательное — отрицательнее, относительно общего провода).
Назначение управляющих пинов ([RTS, CTS], [DTR, DSR] и [CD, RI]) сводится к следующему:
• Отслеживать состояние собеседника
• Отслеживать поток данных
Пара [RTS, CTS] — используется для обозначения готовности данной пары устройств к передачи/приему соответственно.
1. DTE устройство устанавливает RTS = on, сигнализируя о том что оно готово к приему данных. Если устройство получило достаточное количество данных то устанавливаем RTS =off.
2. DCE устройство устанавливает CTS =on, сигнализируя о том что оно готово к приему данных. Если устройство получило достаточное количество данных то устанавливаем CTS =off.
Кто каким пином будет управлять (тоесть кому быть DTE а кому DCE) решать вам. Соответственно программы управления этими устройствами должны выставить RTS(выход)/CTS (вход), или наоборот, иначе могут быть глюки.
Пара [DTR, DSR] — большинство устройств используют эти пины для сигнализирования что они подключены и готовы к работе.
1. DTE устройство устанавливает DTR=on, сообщая DCE устройству что оно готово к работе. Соответственно когда DTE устанавливает DTR=off, то оно больше не желает (или не может) общатся (положила трубку 🙂 )
2. DCE устройство устанавливает DSR=on, сообщая что оно подключено, а когда DSR=off – оно отключено.
Такой метод контроля потока данных называется – hardware handshaking (чтото вроде аппаратное управление). Пары [DTR, DSR] и [RTS, CTS] могут быть с легкостью взаимо-заменены без всякого ущерба.
Пара [CD, RI] – используется для обозначения (в тот самом случае когда один принтер на отару кампов) что в данный момент линии передачи данных кем-то заняты.
Как правило этой парой управляет модем, но не обязательно.
• St – Стартовый Бит (начало передачи данных) – логический ноль
• 0..8 – позиция бита (данных) в пакете (позиция «0» – LSB)
• P – бит парности (проверка успешной передачи данных)
• Sp1,Sp2 – стоп биты (завершают передачу пакета) – логическая единица
• [] – в скобках обозначены биты которые могут отсутствовать
(биты данных с 5 по 8 так или иначе будут переданы, но не рассмотрены — мусор)
• IDLE – ожидание (логическая единица)
Как я уже говорил, во время передачи — данные инвертируются, так что если будете проверять осциллографом как отсылается пакет — не пугайтесь.
Часто формат пакета обозначается следующим образом: 8-N-1 (8 бит данных, без бита проверки, один стоп бит) или 5-E-2 (5 бит данных (3 бита мусора), с проверкой на четность, два стоп бита).
Поскольку MAX232 поддерживает аппаратное управление COM портом, и если с разводкой данной схемы проблем нет, почемуб и не использовать эту возможность, вдруг когда пригодится (не пропадать же добру). В противном случае, можно обойтись без аппаратного управления, как зачастую и происходит.
Софт
UPD: заменил вывод cout на printf, и убрал флаги RxClear и TxClear
ПП по сути является фаилом из которого ведется чтение/запись, поэтому основные операции которые применяются над ПП можно группировать следующим способом:
Также много интересного можно узнать на следующих сайтах: Programming Serial Connections , Serial programming in win32 OS
Запихните предыдущий код в хидэр фаил, например с именем COM_INIT.h и можно использовать ПП.
Надеюсь эти скромные знания кому-то помогут. Если есть вопросы попытаюсь ответить.
