Адаптеры сопряжения RS-422 с поддержкой скоростей до 1Мбод для системной шины PCI
Аннотация
В статье рассмотрен вариант модификации серийно выпускаемых многопортовых адаптеров расширения ввода-вывода, построенных на микросхемах NetMOS / MosChip MSC98XX-CV и SystemBase SB16C1052PCI, для реализации последовательного физического интерфейса RS-422 со скоростями обмена данными до 1 Мбод.
Текст
Со времен компьютеров IBM PC последовательные порты персональных ЭВМ, рабочих станций и серверов, функционирующие по протоколу UART, в большинстве случаев используют физический сигнальный интерфейс RS-232. Раньше последовательные порты, или COM-порты в терминологии системного программного обеспечения, применялись главным образом для подключения манипуляторов типа мышь и модемов для коммутируемых телефонных линий и прочих низкоскоростных каналов связи. В современной вычислительной технике эти периферийные устройства подключаются по шине USB. Тем не менее, последовательные порты RS-232 продолжают использоваться для сопряжения с различным технологическим оборудованием, например, со сканером штрих-кода, а также для различных отладочных и диагностических нужд для работы в режиме терминала со встроенным программным обеспечением таких устройств, как сетевые коммутаторы третьего уровня, контроллеры, источники бесперебойного питания и т.п.
Последовательный сигнальный интерфейс RS-232 использует двухполярные сигналы с амплитудой от 5 до 15 вольт, при этом отрицательное напряжение соответствует логической единице, а положительное напряжение – логическому нулю. Сигналами с такой амплитудой невозможно передавать данные на высоких скоростях, в силу чего максимальная скорость для стандартного последовательного порта ограничена 115,2 кбод. При синхронизации UART класса 16С550 от сигнала с частотой 1,8432МГц скорости 115,2 кбод соответствует установка регистра DLL в ноль, а регистра DLM в 00000001.
Помимо сигнального интерфейса RS-232 последовательные порты могут использовать стандарты RS-422 и RS-485, позволяющие передавать данные в виде электрических сигналов по кабелю со скоростью до 10 Мбод на расстояниях 10-20м, и обеспечивающие дальность связи до 1500 м на низких скоростях. Применение сигнальных стандартов RS-422 и RS-485 с интерфейсами UART распространено в промышленной и специальной аппаратуре, рассчитанной на тяжёлые условия эксплуатации.
Для сопряжения персональных компьютеров и промышленных ЭВМ с последовательным интерфейсом RS-422 выпускаются специализированные адаптеры ввода-вывода, реализующие до 16 каналов UART. В качестве примера можно рассмотреть адаптер PCL-743 фирмы Advantech для системной шины ISA, показанный на рис. 1. Данный адаптер содержит два контроллера UART 16C550, управляющую ПЛИС Xilinx XC9572 и микросхемы приёмников и передатчиков RS-422 / RS485. Путём установки переключателей задаются адресные диапазоны, которые адаптер использует для контроллеров 16С550. При верной установке переключателей возможно сконфигурировать адаптер для работы в качестве стандартных COM-портов, определяемых средствами BIOS и операционной системой. Для этого нужно установить базовые адреса контроллеров 16С550 в значения из списка: 02E8h, 02F8h, 03E8h, 03F8h, таким образом, чтобы не было совпадений с адресными диапазонами COM-портов материнской платы.
Кроме того, адаптер позволяет настроить режим работы физического интерфейса для каждого из двух портов в отдельности либо по стандарту RS-422, либо по стандарту RS-485.
Для достижения высоких скоростей в адаптере PCL-743 установлен кварцевый генератор, формирующий частоту 14,7456МГц, которая в 8 раз выше стандартной частоты 1,8432МГц. Положением крайнего правого переключателя задаётся частота синхронизации контроллеров 16C550: либо стандартная, либо увеличенная в 8 раз. Работа на высокой частоте позволяет работать со скоростями до 921,6 кбод, для чего в программном обеспечении выбирается настройка скорости 115,2 кбод.
Джамперы в левой части платы адаптеры позволяют вручную настроить линии прерывания для каждого канала UART.
Рассмотренный адаптер является достаточно дорогим и устаревшим решением в виду отсутствия шины ISA в современных вычислительных системах.
Рис. 1. Интерфейсный адаптер PCL-743 фирмы Advantech
Предлагается рассмотреть реализацию адаптеров последовательных портов, работающих по стандарту RS-422 со скоростями до 1 Мбод, путём модификации недорогих контроллеров традиционных периферийных интерфейсов для системной шины PCI, широко представленных на рынке.
За основу для описанных в статье адаптеров взяты многопортовые контроллеры производителя Espada, основанные на микросхемах MCS9820, MCS9835, MCS9845 фирмы MosChip. Семейство микросхем MCS9805, MCS9815, MCS9820, MCS9835, MCS9845 разработано фирмой NetMOS 10-12 лет назад с высокой степенью унификации разводки выводов и внутренней логической организации. Эта унификация позволила разработать ряд контроллеров периферийных интерфейсов, использующих общий дизайн печатной платы.
Следующие контроллеры Espada построены на одной печатной плате, и отличаются исключительно конфигурацией установленных разъёмов и электронных компонентов:
• FG-PIO9820-1S-01-CT01 – один порт RS232, микросхема MCS9820;
• FG-PIO9835-2S-01-CT01 – два порта RS232, микросхема MCS9835;
• FG-PIO9835-2S1P-01-CT01– один порт LPT, два порта RS232, микросхема MCS9835;
• FG-PIO9805-1P-01-CT01– один порт LPT, микросхема MCS9805;
• FG-PIO9815-2P-01-CT01– два порта LPT, микросхема MCS9815.
Также унифицированную печатную плату используют контроллеры Espada, основанные на микросхеме MCS9845, имеющей внешнюю асинхронную шину, посредствам которой подключаются дополнительные контроллеры UART типов 16C550, 16C552, 16C554:
• FG-PIO9845-4S-01-CT01 – четыре порта RS232, микросхемы MCS9845 + 2шт. 16С550;
• FG-PIO9845-6S-01-CT01 – шесть портов RS232, микросхемы MCS9845 + 16С554.
Внешний вид контроллера максимальной конфигурации с шестью последовательными портами RS232 показан на рис. 2.
Рис. 2. Интерфейсный адаптер RS232 производства Espada
В оригинальной конфигурации все перечисленные адаптеры Espada имеют преобразователи уровня для работы с интерфейсом RS-232 и настроены на работу с максимальной скоростью 115,2 кбод. Тем не менее, в ранних версиях документации на микросхемы MCS98xx-CV указана максимальная скорость работы контроллеров последовательных портов равная 1Мбод [1, 2]. В более поздней документации максимальную скорость сократили до 115,2 кбод [3, 4], что, вероятнее всего, было сделано из коммерческих соображений в силу выхода на рынок более развитых интерфейсных микросхем MosChip MCS9865-IV, поддерживающих функцию инициатора (мастера) шины PCI.
Микросхемы MCS9820, MCS9835, MCS9845 имеют до двух интегрированных контроллеров UART класса 16C550, использующих отдельно настраиваемые через конфигурационные регистры PCI диапазоны адресов ввода-вывода ёмкостью восемь байт. Адаптеры, реализующие более двух последовательных портов, используют связку микросхем MCS9845 и 16C550 (16C552, 16C554), соединённых асинхронной 8-разрядной локальной шиной, на которую транслируются транзакции чтения и записи шины PCI по адресам ввода-вывода, принадлежащим диапазонам дополнительных контроллеров UART в составе микросхем 16C550 (16C552, 16C554). Диапазоны адресов ввода-вывода дополнительных контроллеров UART настраиваются также через регистры базовых адресов — BAR в конфигурационном пространстве PCI. Регистры конфигурационного пространства PCI реализованы согласно стандарту [5] в микросхемах MCS98xx и доступны для чтения и/или записи средствами системного контроллера в составе чипсета.
Для синхронизации контроллеров UART в составе микросхем MCS9820, MCS9835, MCS9845 предусмотрены два входа подачи несущей частоты:
• сигнал ACLK (вывод 59) задаёт несущую частоту для UART-A,
• сигнал BCLK (вывод 57) задаёт несущую частоту для UART-B.
Несущая частота контроллера UART класса 16C550 должна быть в 16 раз выше бодовой скорости. Таким образом, для скорости 115,2 кбод требуется несущая 1,8432 МГц, а для скорости 1 Мбод несущая частота должна быть равна 16 МГц.
На входы ACLK и BCLK согласно фирменной документации MosChip 4 предлагается подавать сигналы с тактового генератора, входящего в состав микросхем MCS98xx. Тем не менее, на эти входы можно подавать сигнал от внешнего источника синхронизации с уровнями КМОП или ТТЛ.
Встроенный тактовый генератор требует внешнего кварцевого кристалла, подключённого между входом XTAL1 (вывод 62) и выходом XTAL2 (вывод 61) и формирует три выходные частоты:
• сигнал 3XCLK (вывод 55) с частотой, полученной делением частоты кварцевого резонатора на 3,
• сигнал 6XCLK (вывод 56) с частотой, полученной делением частоты кварцевого резонатора на 6,
• сигнал 12XCLK (вывод 58) с частотой, полученной делением частоты кварцевого резонатора на 12.
В оригинальной конфигурации адаптеров интерфейса RS-232 на основе микросхем MCS9820, MCS9835, MCS9845 используется кварцевый резонатор с частотой 22,1184 МГц, а на входы ACLK и BCLK подаётся сигнал с выхода 12XCLK, частота которого, соответственно, составляет 1,8432 МГц.
На большинстве адаптеров, основанных на микросхемах MCS9820, MCS9835, MCS9845, имеются резисторные перемычки габарита 0603, позволяющие путём монтажа в различные позиции на плате подавать на входы ACLK и BCLK сигналы с выходов 3XCLK, 6XCLK и 12XCLK. Таким образом, заменив кварцевый резонатор на аналог с частотой 48 МГц, и перепаяв перемычки в положение, соответствующее коммутации входов ACLK и BCLK на выход 3XCLK, получится несущая частота интегрированных контроллеров UART равная 16 МГц. После такой доработки системная скорость последовательного порта 115,2 кбод (в настройках программного обеспечения) будет соответствовать реальной скорости 1 Мбод.
Результат такой доработки, выполненной на адаптерах Espada FG-PIO9820 или FG-PIO9835, показан на рис. 3.
Рис. 3. Доработка адаптера Espada для поддержки скорости 1 Мбод
Подавляющее большинство представленных на рынке интерфейсных адаптеров последовательных портов реализуют интерфейсы RS-232, выведенные на разъёмы DB-9M. Интерфейс RS-232 изначально был ориентирован на подключение телекоммуникационной аппаратуры, вследствие чего имеет ряд специальных сигналов, реализованных также в контроллерах UART класса 16С450 и 16С550.
Классическая схема соединения устройств по интерфейсу RS-232 включает терминальное оборудование DTE (Data Terminal Equipment) и связное оборудование передачи данных DCE (Data Communication Equipment), связанные между собой прямым кабелем. Под понятием «прямой кабель» подразумевается кабель с разъёмами типа розетка и вилка, в которых соединены контакты под одним номером (котакт-1 вилки соединён с контактом-1 розетки, котакт-2 вилки соединён с контактом-2 розетки, и т.д.)
Для терминального оборудования DTE традиционно используют разъём типа DB-9M (вилка), разводка которого показана рис. 4, а. В роли терминального оборудования выступает персональный компьютер, рабочая станция, сервер, коммутатор ЛВС, контроллер, либо иная аппаратура, содержащая микропроцессор, выступающий в роли генератора информационных посылок.
Для оборудования передачи данных DCE традиционно используют разъём типа DB-9F (розетка), разводка которого показана рис. 4, б. Оборудование передачи данных традиционно представлено модемами для различных каналов связи, формирующих специальные управляющие сигналы nRI – сигнал вызова от АТС и nDCD – признак обнаружения несущей частоты в канале связи. Также в роли DCE могут выступать любые иные устройства, выполняющие функции приёмника информационных посылок, или пассивного источника посылок, например исполнительные блоки и датчики.
а
б
Рис. 4. Разводка разъёмов RS-232:
a — вилки DB-9M для DTE, б – розетки DB-9F для DCE
Схема прямого соединения устройств DTE и DCE по интерфейсу RS-232 показана на рис. 5. Прямой интерфейсный кабель имеет розетку DB-9F для подключения к DTE (компьютеру) и вилку DB-9M для подключения к телекоммуникационному оборудованию DCE (модему). В кабеле выполнены 9 изолированных соединений в общем экране, соединённом с металлическими корпусами вилки и розетки на концах.
В соединениях, не использующих специальные сигналы детектора несущей nDCD и вызова nRI, деление устройств на типы DTE и DCE достаточно условное и определяется главным образом типом разъёма: вилка у DTE и розетка у DCE.
Рис. 5. Схема прямого соединения по интерфейсу RS-232
В современном оборудовании, исходя из соображений унификации, предпочитают использовать разъёмы типа DTE. Для соединения двух устройств DTE используют ноль-модемный кабель, также нередко называемый кросс-кабелем. Такой кабель коммутирует попарно передатчики и приёмники различных устройств в следующем порядке: TxD-RxD, nRTS-nCTS, nDTR-nDSR. В полной реализации кросс-кабеля RS-232 могут быть выполнены соединения nDTR-nDCD и nDTR-nRI.
В общем случае, для передачи данных достаточно коммутации TxD-RxD, ибо все остальные сигналы являются внеполосными (sideband) и могут участвовать в процессе обмена данными только на программном уровне (исключение составляет режим Auto-CTS в старших версиях UART класса 16С550, активируемый битом MCR[5]).
Схема соединения ноль-модемным кабелем двух устройств DTE по интерфейсу RS-232 показана на рис. 6.
Рис. 6. Схема соединения ноль-модемным кабелем по интерфейсу RS-232
В большинстве современных интерфейсных адаптеров RS-232 в качестве внешних разъёмов используются угловые вилки DRB-9MA, предназначенные для монтажа на печатную плату и фиксации в планке крепления к корпусу. В многопортовых адаптерах используются дополнительные планки с закреплёнными на них разъёмами DB-9M, к которым припаяны плоские шлейфы с шагом 1,27мм с запрессованными розетками IDC-10 на концах, рис. 7.
Рис. 7. Дополнительная планка с разъёмами DB-9M
Гнёзда IDC-10 имеют одно глухое отверстие на месте десятого контакта, выполняющее роль ключа. Ответная часть на печатной плате контроллера представляет собой штыревой соединитель PLD-10 с удалённым десятым контактом. Разъёмы для подключения двух дополнительных планок видны на задней стороне платы адаптера FG-PIO9845-6S-01-CT01, показанной на рис. 2.
Следует отметить, что разводка штыревых соединителей PLD-10 на большинстве адаптеров RS-232 унифицирована таким образом, что первый контакт гнезда IDC-10 на кабеле дополнительной планки соединяется с первым контактом внешнего разъёма DB-9M, второй контакт гнезда IDC-10 соединяется со вторым контактом разъёма DB-9M, и т.д. Таким образом, разводка штыревых соединителей по номерам контактов повторяет разводку внешних разъёмов DB-9M (рис. 8). Соответствующая распайка разъёма DB-9M показана на рис. 10 (первый контакт – красный провод шлейфа).
Рис. 9. Распайка разъёма DB-9M
Физический интерфейс RS-232 как на интерфейсных адаптерах, так и на материнских платах, традиционно реализует микросхема преобразователя уровней GD75232, или её полный аналог SN75185 [6, 7]. Эти микросхемы содержат 3 драйвера двухполярных сигналов RS-232 для цепей TxD, nDTR, nRTS и пять приёмников-преобразователей уровня RS-232 в сигнал ТТЛ. Каждая микросхема GD75232 / SN75185 использует три потенциала питания: VSS – минус 12В, VCC – 5В и VDD – 12В. Все напряжения измеряются относительно общего нуля – GND.
Существует традиционная схема подключения контроллера UART к порту RS-232 посредствам микросхемы GD75232 / SN75185; она представлена на рис. 10. Именно эта схема реализована в большинстве интерфейсных адаптеров RS-232, в том числе на платах Espada.
Рис. 10. Схема подключения контроллера UART к порту RS-232
Физический интерфейс RS-422 регламентирован стандартом TIA/EIA-422 определяющим уровни и форму сигналов дифференциальных сигналов, позволяющие передавать данные по витым парам проводов со скоростями до 10 Мбод (пропускная способность зависит от разрядности интерфейса и способа кодирования данных).
Примером использования сигналов RS-422 в параллельных интерфейсах является «высоковольтный» дифференциальный SCSI-интерфейс (HVD – High-Voltage Differential).
Последовательные асинхронные интерфейсы UART в промышленном оборудовании также часто используют физический интерфейс RS-422. В отличие от распространённого в промышленной и специальной технике дифференциального интерфейса RS-485 физический интерфейс RS-422 ориентирован на топологию соединений типа точка-точка.
Использование физического интерфейса RS-422 вместо RS-232 в последовательных портах позволяет увеличить скорость передачи данных на коротких соединениях, либо значительно увеличить дальность связи одного соединения.
Реализации интерфейса UART с физическим уровнем RS-422 в большинстве случаев используют четыре пары проводов: две пары для передачи данных в прямом и обратном направлении и две пары для вспомогательных сигналов RTS-CTS. Схема соединения двух устройств по последовательному интерфейсу RS-422, работающему по протоколу UART, приведена на рис. 11.
Рис. 11. Схема соединения по последовательному интерфейсу RS-422
Единой унифицированной разводки дифференциальных сигналов RS-422 в разъёмах DB-9 применительно к последовательным портам не существует. Предлагается рассмотреть разводку, реализованную фирмой Advantech в адаптере PCL-743 (рис. 1), показанную на рис. 12.
Рис. 12. Разводка разъёма DB-9M для интерфейса RS-422
Переоборудование адаптеров последовательных портов для реализации интерфейса RS-422 предлагается выполнить следующим способом:
1. демонтировать микросхемы преобразователей уровня RS-232,
2. соединить следующие сигналы контроллера UART со штыревыми соединителями PLD-10: TxD, RxD, nRTS, nCTS.
3. на входы nDCD и nDSR контроллера UART подать низкий уровень (GND), а на вход nRI – высокий уровень (+5В), либо выполнить соединение сигналов контроллера UART: nDTR-nDSR-nDCD-nRI,
4. на контакты 1 и 9 штыревого соединителя PLD-10 подать потенциал +5В для питания приёмо-передатчиков RS-422,
5. на штыревые соединители PLD-10 адаптера установить модуль приёмо-передатчиков RS-422, к которому подключаются гнёзда IDC-10 на шлейфах от разъёмов DB-9M, установленных на планке,
6. контакты 4 и 6 соединителя PLD-10 соединить с цепью GND.
Схематично принцип описанной модернизации адаптера отражает рис. 13.
Рис. 13. Переоборудование адаптера RS-232 для интерфейса RS-422
В результате описанных действий разводка сигналов в штыревых соединителях PLD-10 изменится согласно рис. 14.
Рис. 14. Разводка сигналов UART на штыревом соединителе PLD-10
Доработку предлагается выполнить на печатной плате адаптера монтажным проводом МГТФ или аналогичным, используя контактные площадки в объёме посадочного места микросхемы GD75232 / SN75185. Топология соединений для двух вариантов коммутации незадействованных сигналов nDTR, nDSR, nDCD, nRI контроллера UART показана на рис. 15. Расположение штыревых соединителей показано на примере адаптеров Espada FG-PIO9820 и FG-PIO9835.
а
б
Рис. 15. Топология связей после переоборудования адаптера
Учитывая унифицированную схему включения микросхем GD75232 / SN75185 (рис. 10), можно сделать вывод, что для выполнения доработки достаточно демонтировать эти микросхемы и выполнить монтаж перемычками из провода по аналогии с рис. 15. Вид печатной платы адаптера FG-PIO9835-2S1P-01-CT01 после демонтажа микросхем GD75232 / SN75185 показан на рис. 16. Окончательный вид выполненных соединений по рис. 15, а и по рис.15, б на одной плате иллюстрирует рис. 17.
Рис. 16. Печатная плата адаптера FG-PIO9835-2S1P-01-CT01 после демонтажа микросхем GD75232 / SN75185
Рис. 17. Печатная плата адаптера FG-PIO9835-2S1P-01-CT01 с двумя вариантами доработки
Модуль приёмо-передатчиков RS-422 предлагается выполнить на отдельной плате с использованием микросхем передатчика AM26LS31C и приёмника AM26LS33AC [9, 10]. Принципиальная электрическая схема модуля приёмо-передатчиков RS-422 приведена на рис. 18. Модуль имеет четыре посадочных места под штыревые разъёмы PLD-10, два из которых предназначены для распайки на разъёмы адаптера, а два других – для установки разъёмов PLD-10R для подключения шлейфов от планки.
Рис. 18. Принципиальная схема модуля приёмо-передатчиков RS-422
Топология печатной платы, реализующей модуль приёмо-передатчиков RS-422 согласно электрической схеме, представленной на рис. 18, изображена на рис. 19. Печатная плата выполнена без внутренних слоёв и предназначена для установки микросхем AM26LS в корпусе SOIC-16, а также чип-компонентов, габариты которых указаны на электрической схеме. Электролитический алюминиевый конденсатор имеет диаметр 5 или 6 мм и высоту не более 8 мм. Светодиод может быть в исполнении 1206 или монтироваться в отверстия проволочными выводами.
Разъёмы, расположенные в левой части схемы, не устанавливаются на плату. В их отверстия распаиваются свободные концы штыревых разъёмов PLD-10, установленных на плате адаптера.
Резисторы номинала 120 Ом габарита 1206 выполняют функцию согласования волнового сопротивления, необходимую в кабельных соединениях большой длины. Резисторы номиналом 10 кОм установлены для обеспечения смещения уровня напряжения в сторону пассивного состояния при отсутствии источника сигнала в линии.
Последовательные резисторы номиналом 100 Ом предназначены для ограничения тока при сопряжении с контроллерами UART, не допускающими входные уровни сигнала с напряжением 5 вольт.
Последовательные резисторы с номиналом 22 Ома устанавливаются для защиты передатчиков от перегрузок по току. Если такая защита не нужна, вместо данных резисторов следует устанавливать перемычки габарита 0603.
Топология платы ориентирована на применение с адаптерами Espada.
Рис. 19. Топология печатной платы модуля приёмо-передатчиков RS-422
Модуль приёмо-передатчика RS-422 можно собрать, используя макетную плату с шагом отверстий 2,5 мм или 2,54 мм, установив микросхемы AM26LS31 и AM26LS33 в корпусе DIP-16. Этот вариант исполнения позволит избежать затрат на изготовление заказной печатной платы, наподобие показанной на рис. 19, но увеличит сложность и объём монтажных работ. Соединения на макетной плате придётся выполнять монтажным проводом.
Внешний вид собранных модулей приёмо-передатчиков интерфейса RS-422 показан на рис.20 (одноканальный вариант) и рис. 21 (двухканальное исполнение).
Одноканальный модуль не имеет токоограничительных резисторов номиналом 22 Ом, согласующих резисторов 120 Ом габарита 1206 и одного разъёма. Перечисленные компоненты используются во втором канале UART. Одноканальный вариант исполнения предназначен для доработки адаптеров с одним последовательным портом, построенных на микросхеме MCS9820. Изображение адаптера Espada FG-PIO9820-1S-01-CT01 с выполненной доработкой приведено на рис. 22.
Рис. 20. Одноканальный модуль приёмо-передатчиков RS-422
Рис. 21. Двухканальный модуль приёмо-передатчиков RS-422
Модули устанавливаются на адаптеры таким образом, что микросхемы AM26LS31 и AM26LS33 располагаются сверху. Это упрощает их замену в случае выхода из строя.
Рис. 22. Одноканальный адаптер последовательного интерфейса RS422
Двухканальный модуль приёмо-передатчика RS-422 предназначен для установки на адаптеры с двумя последовательными портами, построенными на микросхеме MCS9835. Расстояние между разъёмами на модуле соответствует печатной плате адаптеров Espada FG-PIO9835-2S-01-CT01 и FG-PIO9835-2S1P-01-CT01. Изображение адаптера Espada FG-PIO9835-2S1P -01-CT01 с выполненной доработкой приведено на рис. 23.
Рис. 23. Двухканальный адаптер последовательного интерфейса RS422
Доработанные адаптеры Espada были протестированы диагностическим программным обеспечением для работы с последовательными портами в ОС Microsoft Windows в составе рабочей станции (рис. 24). Тестирование выполнялось с использованием сетевого четырёхпарного кабеля UTP для межмашинного прямого соединения (ноль-модем), а также на заглушке, замыкающей тракт данных TxD на RxD и тракт управления RTS на CTS. В кабеле UTP каждая витая пара используется для передачи одного из дифференциальных сигналов. Две пары реализуют перекрёстное соединение TxD-RxD и RxD-TxD, а две оставшиеся пары – перекрёстное соединение RTS-CTS и CTS-RTS. В случае соединения по последовательному интерфейсу RS-422 устройств с некачественным заземлением корпусов, либо с изолированными корпусами, необходимо реализовать в кабеле дополнительную цепь, соединяющую корпуса. Это необходимо для выравнивания потенциалов между устройствами. В противном случае разность потенциалов может вывести из строя приёмо-передатчики интерфейса. Микросхема AM26LS33AC допускает отклонение входного напряжения от нуля не более чем на 15 вольт.
Рис. 24. Тестирование двухпортового адаптера RS-422
Тестовая заглушка представляет собой розетку DB-9F, заключённую в пластиковый разборный корпус для разъёмов D-Sub (рис. 25). Внутри корпуса выполнены следующие соединения: 1-4, 2-3, 6-9, 7-8.
Тестирование прошло без сбоев на системной скорости 115,2 кбод, соответствующей реальной скорости 1 Мбод (вследствие замены кварцевого резонатора и изменения делителя частоты).
Рис. 25. Тестовая заглушка
Одним из недостатков микросхем фирмы MosChip является ограничение частоты шины PCI 33МГц. Для работы на сегментах шины с тактовой частотой 66МГц (66,667МГц, период 15нс) можно использовать контроллеры других производителей. В качестве доступного решения с таким контроллером можно рекомендовать адаптер Espada FG-PMIO-B1T-0001S-1-CT01. Данный адаптер построен на микросхеме SB16C1052PCI фирмы SystemBase [8].
Контроллер SystemBase SB16C1052PCI поддерживает интерфейс исполнителя (Target) 32-разрядной шины PCI с частотой до 66МГц и реализует один или два последовательных порта с буферами FIFO большой ёмкости: 256 байт против 16 байт в традиционном контроллере класса 16C550.
Ради эксперимента для поддержки интерфейса RS-422 был доработан одноканальный адаптер FG-PMIO-B1T-0001S-1-CT01. При этом штатный порт RS-232 не подвергся изменениям. Путём перепайки резисторной перемычки RJ6 в положение 2-3 был активирован второй интерфейс UART контроллера SB16C1052PCI, выходящий на посадочное место микросхемы U3. Установка нулевого резистора R19 подключает 9 контакт второго порта (цепь nRI) к 9 контактной площадке посадочного места U3 (рис. 26). Разводка преобразователя уровня RS-232 и штыревого соединителя J2 аналогична схеме на рис. 10. Таким образом, путём выполнения доработки, показанной на рис. 15 и установки штыревого соединителя в посадочное место J2, получен интерфейс UART с разводкой на штыревой разъём, показанной на рис. 14.
Вид доработанного адаптера FG-PMIO-B1T-0001S-1-CT01 с установленным одноканальным модулем приёмо-передатчика RS-422 показан на рис. 27. Внешний разъём второго порта выполняется в виде вилки DB-9M с плоским шлейфом, на конце которого запрессовывается гнездо IDC-10 (рис. 9). Вилка DB-9M может быть установлена на планку или непосредственно в стенку корпуса при наличии соответствующей прорези.
В результате получился комбинированный двухпортовый адаптер RS-232 и RS-422. При этом оба последовательных порта работают на стандартном наборе скоростей.
Рис. 26. Топология преобразователей уровня RS-232 адаптера FG-PMIO-B1T-0001S-1-CT01
Рис. 27. Доработанный адаптер FG-PMIO-B1T-0001S-1-CT01
Выводы
• Интерфейс RS-422 позволяет строить интерфейсы последовательных портов, работающие со скоростями до 1 Мбод, а также даёт возможность значительно увеличить длину кабеля по сравнению с интерфейсом RS-232.
• Микросхемы серии MSC98xx фирмы MosChip допускают работу последовательных портов на скорости 1 Мбод, для чего требуется несложная доработка адаптера.
• Физический интерфейс RS-422 возможно реализовать на двух микросхемах и небольшом количестве пассивных компонентов, что является весьма недорогим техническим решением. Модуль приёмо-передатчика RS-422 может быть построен на небольшой печатной плате размерами 3х4 см.
• Для построения кабельной инфраструктуры RS-422 подходит стандартный сетевой кабель UTP или FTP с волновым сопротивлением 100 Ом.
Источник
