Выходные линии RTS и DTR иногда могут служить и для «незаконных» целей — питания устройств, подсоединенных к COM-порту. Именно так устроены, например, компьютерные мыши, работающие через СОМ. Разумеется, для работы такого устройства требуется установить эти линии в нужное состояние. Тех, кто интересуется этим вопросом, я отсылаю к моей книге [11], а здесь мы на этом не будем останавливаться, т. к. сейчас подобных устройств никто не проектирует. Мы займемся более актуальным вопросом: как обеспечить преобразование уровней UART в уровни RS-232 со стороны микроконтроллерного устройства?
Преобразователи уровней UART в уровни RS-232
Простейшая схема преобразователя уровня показана на рис. 18.2. В ней мы учли отмеченный ранее факт, что линия TxD со стороны компьютера большую часть времени пребывает в состоянии низкого уровня, и мы запасаем это напряжение на конденсаторе через диод, а потом расходуем его при передаче. Это несколько снижает входное сопротивление линии RxD устройства (и повышает выходное сопротивление TxD), но в принципе прекрасно работает, даже если байты идут туда-сюда сплошным потоком.
Рис. 18.2.Простейший вариант самодельного преобразователя уровней RS-232 — UART при соединении контроллера с компьютером
«Официальный» путь состоит в том, чтобы применять специальные микросхемы приемопередатчиков RS-232 (правильнее их было бы называть преобразователями уровня), это, например, МАХ202, МАХ232, ADM202 и подобные, которые содержат внутри преобразователь — инвертор напряжения, подобный тому, что мы применяли для питания измерителя в автономном режиме (см. главу 17). Вариант построения такой схемы показан на рис. 18.3. Выходные уровни вывода TxD здесь при интенсивном обмене составят не менее ±7 В.
Рис. 18.3. Вариант одноканального преобразователя уровней RS-232 — UART на микросхеме МАХ202
Рис. 18.3.Вариант одноканального преобразователя уровней RS-232 — UART на микросхеме МАХ202
Одной из этих схем следует дополнить наш измеритель температуры и давления, чтобы получить возможность соединения его с ПК. Если выбран разъем DB-9M (штыревая часть, как на самом ПК), спроектированный для установки на плату (т. е. типа DRB), то вы сможете соединить ваше устройство с компьютером только одним способом: с помощью симметричного нуль-модемного кабеля, который имеет на обоих концах гнездовые части. Удлинительный кабель RS-232, в котором линии передачи не перекрещиваются, имеет на одном из концов гнездовую, на другом — штыревую часть, и с его помощью подсоединить компьютер не удастся. Можно, конечно, спроектировать устройство в расчете на удлинительный кабель (тогда надо поставить разъем DRB-9F и поменять местами выводы RxD и TxD).
Применение таких приемопередатчиков не решает одной проблемы — гальванической развязки устройства с COM-портом. А это очень даже может понадобиться, поскольку на корпусе компьютера «висит» обычно вполне приличный потенциал.
Заметки на полях
По этой причине, кстати, нужно внешнее металлическое обрамление разъемов DB-9 соединять с «землей» и со стороны компьютера, и со стороны прибора — оно первое входит в соприкосновение и потенциалы выравниваются до того, как успевают соприкоснуться контакты разъема. Заставлять пользователей подключать устройства исключительно при выключенном компьютере — «прошлый век».
Автор этих строк однажды чуть не убил одно несчастное животное (до сих пор в кошмарах вспоминается), когда проектировал прибор для измерения внутричерепного давления у обезьян. Главная причина всей этой «катавасии» в отсутствии, разумеется, нормального заземления в наших постройках, но даже при его наличии развязка все равно не помешает.
Один из вариантов такой развязки, реализованный на относительно быстродействующем оптроне типа 6N139, показан на рис. 18.4. Верхняя часть схемы (оптрон D1) служит для передачи сигналов от контроллера к компьютеру. Сигнал TxD с контроллера должен иметь положительный уровень не ниже 4,5 В под нагрузкой, в противном случае следует увеличить номинал резистора R1.
Рис. 18.4. Вариант одноканального преобразователя уровней RS-232 — UART с гальванической развязкой
Приемная часть построена на оптроне D2. Ток через входной светодиод оптрона идет во время положительного уровня напряжения на линии TxD COM-порта, а диод VD3 защищает этот светодиод от обратного напряжения.
Здесь питание той части схемы, которая подает сигнал к компьютеру, обеспечивается преобразователем напряжения TMA0505D фирмы TRACO, имеющим гальваническую развязку между входом и выходом. Он обеспечивает преобразование положительного напряжения +5 В в два напряжения ±5 В.
Схема спроектирована в расчете на то, что оптоизолягор выполнен в форме удлинительного кабеля для COM-порта. Разъем Х2 типа DRB и остальные детали, кроме разъема XI, монтируют на макетной плате размерами 30x60 мм. С противоположной от разъема стороны распаивают трехжильный плоский кабель примерно 0,5 м длиной, закрепляют его на плате и соединяют с разъемом XI. Разъем XI может быть не только DB, а любого удобного типа, например, IDC. После проверки плату затягивают в отрезок термоусадочного кембрика подходящего диаметра. Разъем Х2 вместе с платой соединяется прямо с COM-портом, ответная часть разъема X1 располагается на плате устройства.
Для того чтобы вывести напряжение +5 В, пришлось тянуть отдельную линию (контакт 1 разъема X1). Поэтому, если вы собираетесь подключать ПК к компьютеру таким способом, вам придется использовать только этот кабель. В большинстве случаев вместо этого проще будет установить всю схему на плату устройства. Тогда, естественно, разъем XI следует исключить, но учтите, что у нас в схеме линии RxD и TxD уже перекрещиваются и соединять придется не нуль-модемным, а удлинительным кабелем (что и обеспечивает разъем DRB-9F). Если есть желание унифицировать соединение (нуль-модемные кабели более распространены, чем удлинительные), то следует взять разъем DRB-9M, а линии RxD и TxD в нем поменять местами.
Подключение через USB
Еще не так давно считалось, что протокол обмена данными по USB настолько сложен, что его реализовать под силу только далеко не рядовым специалистам. Но спрос рождает предложение. Вероятно, самое удобное на сегодняшний день решение для эмуляции COM-порта через USB предлагает английская (точнее шотландская) фирма Future Technology Devices Intl. Limited — FTDI. Читатель, несомненно, в курсе того, что подобные готовые «переходники» СОМ/USB имеются в продаже вместе с уже настроенным драйвером, но мы немного остановимся на том, как спроектировать такой интерфейс самому и как с ним обращаться.
Наилучший для практики способ построения последовательного порта через USB-интерфейс — на микросхеме FT232BM[16]. С возможностями ее и других USB-микросхем этой фирмы можно ознакомиться из хорошей подборки статей на сайте компании «ЭФО» [12]. Самое главное преимущество этой микросхемы — наличие драйверов для Windows (притом бесплатно распространяемых), которые обеспечат, в том числе, полную эмуляцию последовательного COM-порта со скоростями до 1 Мбит в секунду. На рис. 18.5 без лишних объяснений я привожу схему устройства сопряжения USB/RS-232, которая без изменений честно заимствована из фирменной документации FTDI [13]. В русифицированном варианте эта схема приведена в [14], где она также заимствована из размещенной на сайте екатеринбургской фирмы «Институт радиотехники» (http://wwwJnstitute-rt.ru/conrnion/statyi/convl/index.html) статьи А. Лысенко, Р. Назмутдинова, И. Малыгина в журнале «Радио» (2002, № 6 и 7).
Согласно уверениям производителя, если вы просто припаяете микросхему FT232BM без дополнительного программирования внешней EEPROM (микросхема 93С46 на схеме), в которой должны храниться идентификаторы устройства и прочая служебная информация, и даже вообще без нее, то устройство все равно будет работать, хотя могут возникнуть сложности с подключением других подобных устройств. Если же есть желание EEPROM запрограммировать, то специально этим заниматься не требуется, при установке драйвера типа D2XX (как указано далee) это можно сделать прямо на готовой плате через специальную фирменную утилиту EditEEPROM. Есть, по слухам, некоторые особенности с обеспечением скоростного режима этих микросхем, но вдаваться в подробности в рамках этой книги не имеет смысла.
Имейте в виду, что максимальную скорость обмена здесь ограничивает не интерфейс, а применяемые компоненты. Так, в схеме по рис. 18.5 преобразователь МАХ213 или ADM213 могут обеспечить 115 кбод, микросхема SP213 — 500 кбод, а 1 Мбод вы получите только при выборе МАХ3245. Правда, при этом встанет необходимость еще и запрограммировать как UART, так и виртуальный COM-порт на такие скорости. На самом деле схема, приведенная на рис. 18.5, целесообразна только для устройств с уже готовым интерфейсом RS-232. Если вы устройство целиком проектируете самостоятельно, то нет никакого смысла преобразовывать уровни UART в уровни RS-232 и обратно, дважды устанавливая приемопередатчик — в этом случае его из схемы на рис. 18.5 нужно исключить, а вместо него линии RxD и TxD подсоединить прямо к контроллеру. Остальные линии можно не подключать, вывод CTS# микросхемы FT232BM при этом следует заземлить.
Рис. 18.5.Рекомендуемая производителем схема преобразователя USB-RS-232 с использованием микросхемы FT232BM
Как я уже говорил, к устройствам FTDI прилагаются бесплатные и свободно распространяемые драйверы под все основные ОС, в том числе и под Windows семейств NT и 9х. Разновидностей таких драйверов две — это VCP и D2ХХ-драйверы.
VCP означает Virtual Communication Port, этот драйвер просто-напросто транслирует все стандартные функции Win32 API, которые мы будем использовать далее, в необходимые команды для USB, и через микросхему FT232BM или аналогичные ей, находящиеся в устройстве, опять преобразует их в битовые последовательности UART. При подключении устройства в системе возникает новый виртуальный COM-порт, и все описанные далее программы без переделок будут работать через него. Это касается и случая, когда у вас покупной «шнурок» USB/RS-232, и когда сами «изобретаете» интерфейс по схеме рис. 18.5. Мало тог