Последовательное подключение: Последовательное соединение — урок. Физика, 8 класс.

Последовательное и параллельное соединение

В данной статье речь пойдет о последовательном и параллельном соединении проводников. На примерах будут рассмотрены данные соединения и как при таких соединениях будут изменяться такие величины как:

• ток;
• напряжение;
• сопротивление.

В таблице 1.8 [Л2, с.24] приведены схемы и формулы по определению сопротивлений, токов и напряжений при параллельном и последовательном соединении.

Последовательное соединение

Последовательным соединением называются те участки цепи, по которым всегда проходят одинаковые токи.

При последовательном соединении:

• сила тока во всех проводниках одинакова;
• напряжение на всём соединении равно сумме напряжений на отдельных проводниках;
• сопротивление всего соединения равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

Пример 1

Последовательно подключены две лампы накаливания одинаковой мощности Рл1=Рл2=100 Вт к сети с напряжением Uн=220В. Сопротивление нити в лампах составляет Rл1=Rл2=122 Ом. Номинальное напряжение для ламп равно 220 B. На рис.1 показано последовательное включение ламп.

Решение

Составляем схему замещения, выражая каждую из входящих элементов цепи (в данном случае лампы накаливания) в виде сопротивлений.

1. Определяем ток протекающей по участкам цепи:

Iн = Uн/Rл1+ Rл2 = 220/122+122 = 0,9 A

2. Определяем напряжение на каждой из ламп накаливания, так как мощность ламп у нас одинаковая, то и напряжение для каждой из ламп будет одинаково:

Uл1=Uл2 = Iн*R = 0,9*122 = 110 B

Как мы видим напряжение источника (в данном примере 220 В) разделиться поровну, между обоими последовательно включенными лампами. При этом лампы будут ели светит, их накал будет неполным.

Для того чтобы лампы горели с полным накалом, нужно увеличить напряжение источника с 220В до 440В, при этом на каждой из ламп установиться номинальное (рабочее) напряжение равное 220В.

Пример 2

Последовательно подключены две лампы накаливания мощность Рл1 = 100 Вт и Рл2 = 75 Вт к сети с напряжением Uн=220В. Сопротивление нити в лампах составляют Rл1= 122 Ом для стоваттной лампы и Rл2= 153 Ом для семидесяти пяти ватной лампы.

Решение

1. Определяем ток протекающей по участкам цепи:

Iн = Uн/Rл1+ Rл2 = 220/122+153 = 0,8 A

2. Определяем напряжение на каждой из ламп накаливания:

Uл1= Iн*Rл1 = 0,8*122 = 98 B
Uл2= Iн*Rл2 = 0,8*153 = 122 B

Исходя из результатов расчетов, более мощная лампа 100 Вт получает при этом меньшее напряжение. Но ток в двух последовательно включенных даже разных лампах остается одинаковым. Например, если одна из ламп перегорит (порвется ее нить накаливания), погаснут обе лампы.

Данное соединение лампочек, например, используется в трамвайном вагоне для освещения салона.

Параллельное соединение

Параллельное соединение – это соединение, при котором начала всех проводников присоединяются к одной точке цепи, а их концы к другой.

Точки цепи, к которым сходится несколько проводов, называют узлами. Участки цепи, соединяющие между собой узлы, называют ветвями.

При параллельном соединении:

• напряжение на всех проводниках одинаково;
• сила тока в месте соединения проводников равна сумме токов в отдельных проводниках;
• величина, обратная сопротивлению всего соединения, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных проводников.

Пример 3

Определить токи и напряжения всех участков цепи (рис.5), если известно:

• Номинальное напряжение сети Uн = 220В;
• Сопротивление нити в лампах HL1 и HL2 составляют Rл1 = Rл2 = 122 Ом.
• Сопротивление нити в лампе HL3 составляют Rл3 = 153 Ом.

Решение

Составляем схему замещения для схемы, представленной на рис.5.

1. Определяем проводимость всей цепи [Л1, с.47] и согласно таблицы 1.8:

2. Определяем сопротивление всей цепи [Л1, с.47]:

3. Определяем силу тока цепи по закону Ома:

4. Определяем токи для каждой цепи [Л1, с.47]:

5. Выполним проверку, согласно которой, сила тока в месте соединения проводников равна сумме токов в отдельных проводниках:

Iл1+ Iл2+ Iл3=Iобщ. =1,8+1,8+1,44=5,04=5,04 (условие выполняется)

Смешанное соединение

Смешанным соединением – называется последовательно-параллельное соединение сопротивлений или участков цепи.

Пример 4

Определить токи и напряжения всех участков цепи (рис.7), если известно:

• Номинальное напряжение сети Uн = 220В;
• Сопротивление нити в лампах HL1, HL2, HL3 составляют Rл1 = Rл2 = Rл3 = 122 Ом.
• Сопротивление нити в лампе HL4 составляют Rл4 = 153 Ом.
• Результаты расчетов для участка цепи ВС (параллельное соединение проводников) применим из примера 3:
  Сопротивление цепи ВС составляет Rвс = 43,668 Ом.

Решение

Составляем схему замещения для схемы, представленной на рис.7.

1. Определяем сопротивление всей цепи:

Rобщ = Rав+Rвс = Rл1+Rвс = 122+43,688 = 165,688 Ом

2. Определяем силу тока цепи, согласно закона Ома:

3. Определяем напряжение на первом сопротивлении:

Uав=Uл1= Iобщ*Rл1 = 1,33*122 = 162 B

4. Определяем напряжение на участке ВС:

Uвс= Iобщ*Rвс = 1,33*43,688 = 58,1 B

5. Определяем токи для каждой цепи участка ВС:

6. Выполним проверку для участка цепи ВС:

Iл2+ Iл3+ Iл4= Iобщ.=0,48+0,48+0,38=1,33=1,33 (условие выполняется)

Литература:

1. Общая электротехника с основами электроники, В.С. Попов, 1972 г.
2. Справочная книга электрика. В.И. Григорьева. 2004 г.

Всего наилучшего! До новых встреч на сайте Raschet.info.

Последовательное и параллельное соединение проводников

Электрический ток в цепи движется по проводам к потребителям энергии от источника питания. В большинстве данных схем применяются разные виды соединения проводников. При этом подключение контура состоит из проводов и энергопоглощающих потребителей, у которых имеется разное сопротивление.

В электросетях, в зависимости от установленных задач, используется параллельное и последовательное соединение проводов. Иногда применяются оба вида подключений, и такой вариант называют смешанным. У любой схемы преобладают свои особенности, которые нужно учитывать при планировании цепей и установке электрического оборудования.

Параллельное соединение

В электросетях при такой разводке все провода подключены параллельно друг с другом. Следовательно, начала всех проводников сгруппированы в одном месте, и также все концы всегда соединяются между собой. В такой линии может быть образовано две, три, и более ветвей.

В то же время нагрузки распределены параллельно по разным ветвям, соответственно, у данных подключений существует разный расчет сопротивлений. В свою очередь такое явление увеличивает электропроводимость сети, при этом она равна суммарной проводимости ветвей.

Часто бывают случаи, когда некоторые потребители (резисторы) обладают одинаковой величиной и подключены параллельно. В этих вариантах общее сопротивление цепи становится меньше каждого из резисторов во столько раз, сколько их подсоединено в сеть.

Поскольку при параллельном включении токи у потребителей находятся в независимости друг от друга, отключение какого-то из них не скажется на функционировании других. Именно из-за этого большинство электрических приборов имеют такой вид подключения составных частей цепи.

Если анализировать этот аспект в бытовых условиях, то в доме все осветительные и нагревательные приборы должны подключаться параллельно. Иначе, при другом подсоединении они будут загораться, и нагревать при включении одного из них. При этом они должны подключаться к линии с напряжением 220 В., и подсоединяться к общему щиту. То есть, параллельное подключение применяется в тех случаях, когда нужно включить электрические устройства отдельно друг от друга.

Последовательное соединение

Такое подключение дает возможность подсоединять все потребители последовательно относительно друг к другу. Главное отличие подобного подключения – все проводники относятся к одной ветви, не существует разных цепей. Причем в любой точке протекает одинаковый ток.

Общее напряжение на проводах и потребителях равняется напряжению в любой точке сети. В этом можно убедиться из проведенного эксперимента. Сопротивление на последовательно подключенных проводниках вычисляется посредством специальных приборов и обычных математических расчетов.

Например, возьмем три потребителя энергии со стабильным сопротивлением заведомой величины и подключим их к источнику питания в 60 В. Нужно рассчитать данные аппаратов при замыкании цепи. Исходя из закона Ома, в сети находится электрический ток, и это дает возможность узнать падение напряжения на любом из участков.

Затем складываются выявленные показатели, и обретается суммарная величина уменьшения сопротивления в наружной цепи. Когда не берется в расчет внутренне сопротивление, которое создается источником питания, то падение напряжения становится меньше, чем общее сопротивление. А по шкале приборов видно, что такое равенство примерно придерживается.

Проанализируем несколько подключенных последовательно приборов потребления. Поскольку в этой цепи не существует разных ветвей, то количество заряда, протекающего через любой проводник, будет подобным количеству заряда на другом проводнике.

В то же время сила тока в каждой точке сети будет одинаковой. И это – главное отличие такого подключения. Соответственно, если применить закон Ома, то все напряжение при таком подсоединении равняется сумме напряжений от всех резисторов.

Последовательное подключение проводов применяется при целенаправленном включении определенного аппарата. Допустим, электрический звонок работает лишь при замыкании контактов от кнопки звонка, который подсоединен к источнику питания. Объясняется это благодаря известному закону Ома из физики.

Он гласит, что отсутствие тока на одном проводнике предполагает его отсутствие и на остальных проводниках. И напротив, когда электрический ток протекает на каком-то одном проводе, то он будет двигаться и на других проводах.  

Правила при последовательном и параллельном соединении проводников

Тип соединения выражается не нахождением элементов в тех или других приборах, и тем более не изображением на схеме. Он определяется направленностью движения электрического тока.

Для наглядного пояснения и понимания разницы между этими двумя соединениями, рассмотрим правила и формулы для последовательного и параллельного соединения в таблице:

Вычисление цепей, которые не подходят под закон Ома, производится на базе правил Кирхгофа. Такие формулы являются следствием вышеупомянутого закона для неоднозначного участка цепи.

Первое правило Кирхгофа. Суммарная сила тока, образованная в узле, равняется нулю (узлом электрической точки является место, где сходится не менее трех проводников).

Второе правило Кирхгофа. В каждой неразрывной коммуникационной цепи общее напряжение на участках равняется алгебраической сумме ЭДС, образованной на контуре. 

Комбинированное подключение проводов

На электролиниях обычно используется параллельное, последовательное и смешанное подключение проводов, установленное для определенных задач. Однако наиболее часто применяется последний вариант, представляющий собой цепь сочетаний, состоящих из разного вида подключений.

В этих комбинациях вперемежку используется параллельное и последовательное соединение проводов. При этом преимущества и недостатки их в обязательном порядке имеются в виду при планировании коммуникационных электросетей.

Такие способы подключения представляют собой не только порознь взятые потребители электроэнергии, но и порой очень непростые участки со многими элементами. Комбинированное подключение вычисляется, сообразуясь со знакомыми параметрами параллельного и последовательного соединения.

Метод расчета представляет собой разложение схемы на упрощенные составные элементы, которые высчитываются каждый по себе, а затем складываются между собой. Применяя правила вычисления таких способов соединения, рассчитывается сопротивление комбинированной цепи, в которой содержатся потребители, подключенные всякими методами.

Одним из способов подобного вычисления является поэтапный метод (рекуррентный). Такой метод базируется на использовании предыдущих действий (шагов), а их количество зависит от числа структурных элементов, которые присутствуют в цепи.

Последовательная связь — SparkFun Learn

Авторы:
Джимблом

Избранное

Любимый

99

Введение

Встроенная электроника представляет собой взаимосвязанные схемы (процессоры или другие интегральные схемы) для создания симбиотической системы. Чтобы эти отдельные схемы могли обмениваться информацией, они должны использовать общий протокол связи. Для этого обмена данными были определены сотни коммуникационных протоколов, и, как правило, каждый из них можно разделить на одну из двух категорий: параллельный или последовательный.

Параллельный и последовательный

Параллельные интерфейсы передают несколько битов одновременно. Обычно им требуется шин данных для передачи по восьми, шестнадцати и более проводам. Данные передаются огромными, с грохотом волнами 1 и 0.

8-битная шина данных, управляемая часами, передающая байт каждый тактовый импульс. Используется 9 проводов.

Последовательные интерфейсы передают свои данные по одному биту за раз. Эти интерфейсы могут работать только с одним проводом, обычно не более чем с четырьмя.

Пример последовательного интерфейса, передающего один бит каждый тактовый импульс. Требуется всего 2 провода!

Думайте о двух интерфейсах как о потоке автомобилей: параллельный интерфейс будет 8-полосной мега-шоссе, а последовательный интерфейс больше похож на двухполосную проселочную дорогу. За определенный промежуток времени мега-шоссе потенциально доставляет больше людей к месту назначения, но эта сельская двухполосная дорога служит своей цели и стоит лишь небольшую часть средств на ее строительство.

Параллельная связь, безусловно, имеет свои преимущества. Это быстро, просто и относительно легко реализовать. Но для этого требуется гораздо больше линий ввода/вывода (I/O). Если вам когда-либо приходилось переносить проект с базовой Arduino Uno на Mega, вы знаете, что линии ввода-вывода на микропроцессоре могут быть драгоценными и их мало. Таким образом, мы часто выбираем последовательную связь, жертвуя потенциальной скоростью для контактной недвижимости.

Асинхронный последовательный

За прошедшие годы были созданы десятки последовательных протоколов для удовлетворения конкретных потребностей встроенных систем. USB (универсальная последовательная шина ) и Ethernet являются парой наиболее известных последовательных интерфейсов вычислений. Другие очень распространенные последовательные интерфейсы включают SPI, I ² C и последовательный стандарт, о котором мы сегодня поговорим. Каждый из этих последовательных интерфейсов можно разделить на две группы: синхронные или асинхронные.

Синхронный последовательный интерфейс всегда соединяет свои линии данных с тактовым сигналом, поэтому все устройства на синхронной последовательной шине используют общий тактовый сигнал. Это обеспечивает более простую и часто более быструю последовательную передачу, но также требует, по крайней мере, одного дополнительного провода между взаимодействующими устройствами. Примеры синхронных интерфейсов включают SPI и I ² C.

Асинхронный означает, что данные передаются без поддержки внешнего тактового сигнала . Этот метод передачи идеально подходит для минимизации необходимых проводов и контактов ввода-вывода, но это означает, что нам нужно приложить дополнительные усилия для надежной передачи и получения данных. Последовательный протокол, который мы будем обсуждать в этом руководстве, является наиболее распространенной формой асинхронной передачи. На самом деле это настолько распространено, что когда большинство людей говорят «последовательный», они имеют в виду этот протокол (что вы, вероятно, заметите в этом руководстве).

Бестактный последовательный протокол, который мы будем обсуждать в этом руководстве, широко используется во встроенной электронике. Если вы хотите добавить в свой проект модуль GPS, Bluetooth, XBee, ЖК-дисплеи с последовательным интерфейсом или многие другие внешние устройства, вам, вероятно, потребуется немного серийного фу.

Рекомендуемая литература

Этот учебник основан на нескольких концепциях электроники более низкого уровня, включая:

Двоичный

Двоичный код — это система счисления в электронике и программировании… так что, должно быть, важно учиться. Но что такое двоичный код? Как это переводится в другие системы счисления, такие как десятичная?

Избранное

Любимый

49

Логические уровни

Узнайте разницу между устройствами 3,3 В и 5 В и логическими уровнями.

Избранное

Любимый

80

Аналоговый и цифровой

В этом учебном пособии рассматриваются концепции аналоговых и цифровых сигналов, поскольку они относятся к электронике.

Избранное

Любимый

65

Как читать схему

Обзор символов схем компонентов, а также советы и рекомендации для лучшего чтения схем. Нажмите здесь и станьте грамотным в схемах уже сегодня!

Избранное

Любимый

109

Шестнадцатеричный

Как интерпретировать шестнадцатеричные числа и как преобразовывать их в/из десятичных и двоичных.

Избранное

Любимый

32

ASCII-код

Краткая история о том, как появился ASCII, чем он полезен для компьютеров, а также некоторые полезные таблицы для преобразования чисел в символы.

Избранное

Любимый

28

Если вы не очень хорошо знакомы с какой-либо из этих концепций, рассмотрите возможность проверить эти ссылки.

Итак, давайте отправимся в последовательное путешествие…

Правила последовательного соединения

Асинхронный последовательный протокол имеет ряд встроенных правил — механизмов, которые помогают обеспечить надежную и безошибочную передачу данных. Эти механизмы, которые мы получаем для отказа от внешнего тактового сигнала, таковы:

• Биты данных,
• Биты синхронизации,
• Биты четности,
• и скорость передачи данных.

Благодаря разнообразию этих сигнальных механизмов вы обнаружите, что не существует единого способа последовательной отправки данных. Протокол легко настраивается. Важным моментом является обеспечение того, чтобы оба устройства на последовательной шине были настроены на использование одних и тех же протоколов .

Скорость передачи данных

Скорость передачи определяет скорость передачи данных по последовательной линии. Обычно это выражается в битах в секунду (bps). Если вы инвертируете скорость передачи, вы можете узнать, сколько времени требуется для передачи одного бита. Это значение определяет, как долго передатчик удерживает высокий/низкий уровень последовательной линии или в какой период приемное устройство производит выборку своей линии.

Скорость передачи может быть практически любой в пределах разумного. Единственное требование состоит в том, чтобы оба устройства работали с одинаковой скоростью. Одна из наиболее распространенных скоростей передачи, особенно для простых вещей, где скорость не критична, — 9600 бит/с . Другими «стандартными» скоростями являются 1200, 2400, 4800, 19200, 38400, 57600 и 115200.

Чем выше скорость передачи данных, тем быстрее данные отправляются/принимаются, но существуют ограничения скорости передачи данных. Обычно вы не увидите скоростей, превышающих 115200 — это быстро для большинства микроконтроллеров. Поднимитесь слишком высоко, и вы начнете видеть ошибки на принимающей стороне, поскольку часы и периоды выборки просто не поспевают за ними.

Фреймирование данных

Каждый блок (обычно байт) передаваемых данных фактически отправляется в пакете или кадре бит. Фреймы создаются путем добавления к нашим данным битов синхронизации и четности.

Серийный кадр. Некоторые символы в кадре имеют настраиваемый битовый размер.

Давайте подробно рассмотрим каждую из этих частей рамы.

Фрагмент данных

Настоящей частью каждого последовательного пакета являются данные, которые он несет. Мы неоднозначно называем этот блок данных чанк , потому что его размер конкретно не указан. Количество данных в каждом пакете может быть установлено от 5 до 9 бит. Конечно, стандартный размер данных — это ваш основной 8-битный байт, но другие размеры имеют свое применение. 7-битный фрагмент данных может быть более эффективным, чем 8-битный, особенно если вы просто передаете 7-битные символы ASCII.

После согласования длины символов оба последовательных устройства также должны согласовать порядок байтов своих данных. Отправляются ли данные от старшего бита (msb) к младшему или наоборот? Если не указано иное, обычно можно предположить, что данные передаются младший бит (младший бит) первый .

Биты синхронизации

Биты синхронизации представляют собой два или три специальных бита, передаваемых с каждым блоком данных. Это стартовый бит и стоповый бит . Как следует из названия, эти биты отмечают начало и конец пакета. Всегда есть только один стартовый бит, но количество стоповых битов можно настроить на один или два (хотя обычно его оставляют равным одному).

Стартовый бит всегда обозначается пустой строкой данных, изменяющейся от 1 до 0, в то время как стоповые биты перейдут обратно в состояние ожидания, удерживая строку на уровне 1.

Биты четности

Контроль четности — это форма очень простой низкоуровневой проверки ошибок. Он бывает двух видов: нечетный или четный. Для получения бита четности все 5-9 битов байта данных складываются, и четность суммы определяет, установлен бит или нет. Например, если для четности задано четное значение и он добавляется к байту данных, например 0b01011101 , который имеет нечетное число 1 (5), бит четности будет установлен на 1 . И наоборот, если режим четности установлен на нечетный, бит четности будет равен 9.0163 0 .

Четность необязательна и не очень широко используется. Это может быть полезно для передачи через шумные среды, но также немного замедлит передачу данных и потребует от отправителя и получателя реализовать обработку ошибок (обычно полученные данные, которые не удалось отправить, должны быть отправлены повторно).

9600 8N1 (пример)

9600 8N1 — 9600 бод, 8 бит данных, без четности и 1 стоповый бит — это один из наиболее часто используемых последовательных протоколов. Итак, что бы пакет или два из 9600 8N1 данные выглядят? Давайте пример!

Устройство, передающее символы ASCII «O» и «K», должно создать два пакета данных. Значение ASCII O (в верхнем регистре) равно 79, что разбивается на 8-битное двоичное значение 01001111 , тогда как двоичное значение K равно 01001011 . Осталось только добавить биты синхронизации.

Конкретно не указано, но предполагается, что данные передаются младшим битом первым. Обратите внимание, как каждый из двух байтов отправляется при чтении справа налево.

Поскольку мы передаем данные со скоростью 9600 бит/с, время удержания каждого из этих битов в высоком или низком уровне составляет 1/(9600 бит/с) или 104 мкс на бит.

На каждый передаваемый байт данных фактически отправляется 10 битов: стартовый бит, 8 битов данных и стоповый бит. Итак, при 9600 бит/с мы фактически отправляем 9600 бит в секунду или 960 (9600/10) байт в секунду.

Теперь, когда вы знаете, как создавать последовательные пакеты, мы можем перейти к аппаратному разделу. Там мы увидим, как эти 1 и 0, а также скорость передачи данных реализованы на уровне сигнала!

Электропроводка и оборудование

Последовательная шина состоит всего из двух проводов — одного для отправки данных и другого для приема. Таким образом, последовательные устройства должны иметь два последовательных контакта: приемник, RX , и передатчик, TX .

Важно отметить, что эти ярлыки RX и TX относятся к самому устройству. Таким образом, RX с одного устройства должен идти на TX другого, и наоборот. Это странно, если вы привыкли подключать VCC к VCC, GND к GND, MOSI к MOSI и т. д., но если подумать, то это имеет смысл. Передатчик должен разговаривать с приемником, а не с другим передатчиком.

Последовательный интерфейс, через который оба устройства могут отправлять и получать данные, является либо полнодуплексным , либо полудуплексным . Полный дуплекс означает, что оба устройства могут отправлять и получать данные одновременно. Полудуплексная связь означает, что последовательные устройства должны по очереди отправлять и получать данные.

Для некоторых последовательных шин достаточно одного соединения между передающим и принимающим устройством. Например, наши ЖК-дисплеи с поддержкой последовательного интерфейса все слушают, и на самом деле у них нет никаких данных для передачи обратно на управляющее устройство. Это то, что известно как симплекс последовательная связь. Все, что вам нужно, это один провод от TX ведущего устройства к линии RX слушателя.

Аппаратная реализация

Мы рассмотрели асинхронный последовательный интерфейс с концептуальной стороны. Мы знаем, какие провода нам нужны. Но как на самом деле реализована последовательная связь на уровне сигнала? На самом деле разными способами. Существуют всевозможные стандарты последовательной сигнализации. Давайте рассмотрим пару наиболее популярных аппаратных реализаций последовательного интерфейса: логический уровень (TTL) и RS-232.

Когда микроконтроллеры и другие низкоуровневые ИС обмениваются данными последовательно, они обычно делают это на уровне TTL (транзисторно-транзисторная логика). TTL последовательные сигналы существуют в диапазоне напряжения питания микроконтроллера — обычно от 0 В до 3,3 В или 5 В. Сигнал на уровне VCC (3,3 В, 5 В и т. д.) указывает либо на свободную линию, либо на бит со значением 1, либо на стоповый бит. Сигнал 0V (GND) представляет либо стартовый бит, либо бит данных со значением 0.

RS-232, который можно найти в некоторых более старых компьютерах и периферийных устройствах, похож на последовательный TTL, перевернутый с ног на голову. Сигналы RS-232 обычно находятся в диапазоне от -13 В до 13 В, хотя спецификация допускает любое значение от +/- 3 В до +/- 25 В. На этих сигналах низкое напряжение (-5В, -13В и т.д.) указывает либо на незанятую линию, либо на стоповый бит, либо на бит данных со значением 1. Высокий сигнал RS-232 означает либо стартовый бит, либо 0- бит данных значения. Это своего рода противоположность сериалу TTL.

Между двумя стандартами последовательного сигнала TTL гораздо проще внедрить во встроенные схемы. Однако низкие уровни напряжения более подвержены потерям на длинных линиях передачи. RS-232 или более сложные стандарты, такие как RS-485, лучше подходят для последовательной передачи данных на большие расстояния.

При соединении двух последовательных устройств важно убедиться, что их сигнальные напряжения совпадают. Вы не можете напрямую соединить последовательное устройство TTL с шиной RS-232. Вам придется изменить эти сигналы!

Продолжая, мы рассмотрим инструмент, который микроконтроллеры используют для преобразования своих данных на параллельной шине в последовательный интерфейс и обратно. УАПП!

UART

Последняя часть этой последовательной головоломки заключается в том, чтобы найти что-то, что могло бы как создавать последовательные пакеты, так и управлять этими физическими аппаратными линиями. Введите УАПП.

Универсальный асинхронный приемник/передатчик (UART) — это блок схемы, отвечающий за реализацию последовательной связи. По сути, UART действует как посредник между параллельным и последовательным интерфейсами. На одном конце UART находится шина из примерно восьми линий данных (плюс несколько управляющих контактов), на другом — два последовательных провода — RX и TX.

Сверхупрощенный интерфейс UART. Параллельно с одной стороны, последовательно с другой.

UART существуют как автономные микросхемы, но чаще их можно найти внутри микроконтроллеров. Вам нужно будет проверить техническое описание вашего микроконтроллера, чтобы узнать, есть ли в нем какие-либо UART. У кого-то нет, у кого-то один, у кого-то много. Например, Arduino Uno, основанная на «старом добром» ATmega328, имеет только один UART, а Arduino Mega, построенная на ATmega2560, имеет целых четыре UART.

Как R и T в аббревиатуре, UART отвечает как за отправку, так и за получение последовательных данных. На стороне передачи UART должен создать пакет данных, добавив биты синхронизации и четности, и отправить этот пакет по линии TX с точным временем (в соответствии с установленной скоростью передачи данных). На принимающей стороне UART должен производить выборку линии RX со скоростью, соответствующей ожидаемой скорости передачи данных, выбирать биты синхронизации и выдавать данные.

Блок-схема внутреннего UART (любезно предоставлено техническим описанием Exar ST16C550)

Более продвинутые UART могут выбрасывать полученные данные в буфер , где они могут оставаться до тех пор, пока микроконтроллер не придет за ними. UART обычно выпускает свои буферизованные данные в порядке поступления (FIFO). Буферы могут быть размером от нескольких битов до тысяч байтов.

Программные UART

Если в микроконтроллере нет UART (или его недостаточно), последовательный интерфейс может быть бит-битовым — напрямую управляться процессором. Это подход, который используют библиотеки Arduino, такие как SoftwareSerial. Передача битов интенсивно использует процессор и обычно не так точна, как UART, но в крайнем случае работает!

Распространенные ошибки

Вот и все, что нужно знать о последовательной связи. Я хотел бы оставить вас с несколькими распространенными ошибками, которые легко сделать инженеру любого уровня опыта:

RX-to-TX, TX-to-RX

Кажется достаточно простым, но это ошибка, которую я знаю. Я делал больше, чем несколько раз. Как бы вы ни хотели, чтобы их метки совпадали, всегда обязательно пересекайте линии RX и TX между последовательными устройствами.

Базовое программирование FTDI Pro Mini. Обратите внимание, что RX и TX пересекаются!

Вопреки тому, что предупредил бы уважаемый доктор Эгон Шпенглер, пересечь ручьи .

Несоответствие скорости передачи данных

Скорость передачи данных аналогична языкам последовательной связи. Если два устройства говорят с разной скоростью, данные могут быть либо неверно истолкованы, либо полностью пропущены. Если все, что принимающее устройство видит на своей приемной линии, является мусором, проверьте, чтобы скорости передачи данных соответствовали друг другу.

Данные передаются со скоростью 9600 бит/с, но принимаются со скоростью 19200 бит/с. Несоответствие скорости = мусор.

Конфликт на шине

Последовательная связь позволяет всего двум устройствам обмениваться данными через одну последовательную шину. Если несколько устройств пытаются передавать по одной и той же последовательной линии, вы можете столкнуться с конкуренцией за шину. Dun du dun….

Например, если вы подключаете модуль GPS к Arduino, вы можете просто подключить линию TX этого модуля к линии RX Arduino. Но этот контакт Arduino RX уже подключен к контакту TX преобразователя USB-to-serial, который используется всякий раз, когда вы программируете Arduino или используете Серийный монитор . Это создает потенциальную ситуацию, когда и модуль GPS, и микросхема FTDI пытаются одновременно передавать данные по одной и той же линии.

Два передатчика, передающие на один приемник, создают возможность конкуренции за шину.

Два устройства пытаются передавать данные одновременно по одной линии, это плохо! В лучшем случае ни одно из устройств не сможет отправить свои данные. В худшем случае линии передачи обоих устройств выходят из строя (хотя это случается редко и от этого обычно защищают).

Можно безопасно подключить несколько приемных устройств к одному передающему устройству. Не совсем соответствует спецификациям и, вероятно, не одобряется закаленным инженером, но это сработает. Например, если вы подключаете последовательный ЖК-дисплей к Arduino, самым простым способом может быть подключение линии RX ЖК-модуля к линии TX Arduino. TX Arduino уже подключен к линии RX USB-программатора, но остается только одно устройство, управляющее линией передачи.

Подобное распределение линии TX может быть опасным с точки зрения прошивки, потому что вы не можете выбрать, какое устройство будет принимать какую передачу. ЖК-дисплей в конечном итоге получит данные, не предназначенные для него, что может привести к его переходу в неизвестное состояние.

В общем — одна последовательная шина, два последовательных устройства!

Хотите узнать больше об основных темах?

См. нашу страницу Engineering Essentials , где представлен полный список краеугольных тем, связанных с электротехникой.

Отведи меня туда!

Ресурсы и дальнейшее развитие

Благодаря этим блестящим новым знаниям о последовательной связи есть множество новых концепций, проектов и технологий для изучения.

Хотите узнать больше о других стандартах связи? Может что-то синхронное? Ознакомьтесь со следующими протоколами связи.

Последовательный периферийный интерфейс (SPI)

SPI обычно используется для подключения микроконтроллеров к периферийным устройствам, таким как датчики, сдвиговые регистры и SD-карты.

Избранное

Любимый

89

I2C

Введение в I2C, один из основных встроенных коммуникационных протоколов, используемых сегодня.

Избранное

Любимый

125

AST-CAN485 Руководство по подключению

AST CAN485 — это миниатюрная Arduino в компактном форм-факторе ProMini. В дополнение ко всем обычным функциям он имеет встроенные порты CAN и RS485, позволяющие быстро и легко подключаться к множеству промышленных устройств.

Избранное

Любимый

10

Многие технологии интенсивно используют последовательную связь:

• Основы GPS
• Знакомство с XBees и XCTU

Или, может быть, вы хотели бы увидеть сериал в действии?

• Если вам нужно изменить логические уровни вашей последовательной связи, ознакомьтесь с нашим руководством по преобразованию логических уровней.
• Использование последовательного ЖК-дисплея
• Основы последовательного терминала
• Enginursday: RS-232 против TTL против инвертированного TTL
• Руководство по подключению OpenLog

Последовательное прямое кабельное соединение, DB9, DB25, COM-порты и выводы

В этой статье рассматриваются популярные последовательных портов на рабочих станциях, серверов и ноутбуков компьютеров. Мы охватываем последовательную передачу данных , распиновку портов , скорости порта , типы последовательных интерфейсов (DB9 и DB25) , нуль-модемные кабели и многое другое.

Последовательное прямое соединение использует COM-порты ваших компьютеров. Каждый компьютер имеет как минимум два COM-порта, COM1 и COM2. «COM» означает «Связь». Его распиновка намного проще по сравнению с параллельным портом, но скорость также намного ниже.

Чтобы дать вам представление о том, насколько быстрым (или медленным) является последовательный порт, в лучшем случае вы получите от 12 до 14 КБ в секунду. Это довольно медленно, если вы привыкли к сетевому соединению, но позвольте мне показать вам, как передаются последовательные данные, чтобы вы также могли понять, почему это происходит намного медленнее:

Рисунок 1. Передача данных через последовательный порт

Рисунок выше дает представление о том, как передаются последовательные данные. Каждый пронумерованный цветной блок отправляется с ПК 1 на ПК 2. ПК 2 будет получать данные в том же порядке, в котором они были отправлены, другими словами, сначала он будет получать блок данных 1, а затем 2, вплоть до блока 7. Это довольно хорошее представление потока данных в последовательном кабеле. Последовательные порты передают данные последовательно по одной паре проводов (остальные провода используются для управления передачей).

Другой способ представить это как однополосную дорогу, где дорога достаточно широка, чтобы вместить только одну машину за раз (один блок данных за раз в нашем примере выше), так что вы можете себе представить, что дорога не может обрабатывать несколько автомобилей одновременно.

Последовательный порт

Большинство новых компьютеров имеют два COM-порта с 9 контактами каждый; это штекерные разъемы DB-9. Старые компьютеры будут иметь один штекерный разъем DB-9 и один штекерный разъем DB-25. 25-контактный штекерный разъем почти такой же, как и 9-контактный.булавка, он просто больше.

Давайте посмотрим на последовательный порт, чтобы понять, о чем идет речь:

Рисунок 2. Физический последовательный интерфейс — DB-9 (обычно COM1) и DB-25 (обычно COM2)

Используются разные выводы для разъемов DB-9 и DB-25, и мы рассмотрим их через минуту. Давайте еще раз взглянем на COM-порты нового компьютера:

Рисунок 3. Последовательные порты (COM1 и COM2)

Обратите внимание на COM-порты, они оба DB-9разъемы, ДБ-25 больше нет! Разъем над двумя синими COM-портами — это LPT или параллельный порт.

Последовательный порт компьютера может работать на разных скоростях, что позволяет нам подключать к компьютеру разные устройства, которые обмениваются данными с разной скоростью. В следующей таблице показаны скорости, с которыми могут работать последовательные порты большинства компьютеров, и сколько КБ/с они преобразуют:

Рисунок 4. Скорость последовательного порта (бит/с) и скорость передачи данных

Теперь посмотрим на разводку разъемов DB-9 и DB-25:

Рисунок 5. Распиновка последовательного COM-порта для последовательных интерфейсов DB-9 и DB-25

Все, что осталось, это распиновка, необходимая для того, чтобы мы могли использовать последовательный кабель для прямого подключения. Для этого типа кабеля существует специальный термин, который называется «нуль-модемный» кабель, что в основном означает, что вам необходимо пересечь TX и RX. Поскольку у вас могут быть разные конфигурации, например. ДБ-9до DB-9, от DB-9 до DB-25 и от DB-25 до DB-25, я создал разные таблицы, чтобы показать вам распиновку для каждой из них:

1) DB-9 до DB-9 . Вы используете эту конфигурацию, когда вам нужен кабель с разъемом DB-9 на каждом конце:

Рисунок 6. Нуль-модемный кабель DB-9 к DB-9 (последовательный) ДБ-25 . Вы используете эту конфигурацию, когда вам нужен кабель с одним разъемом DB-9 и одним разъемом DB-25 на каждом конце:

Рисунок 7. Нуль-модемный кабель DB-9 – DB-25 (последовательный)

3) DB-25 – DB-25 . Вы используете эту конфигурацию, когда вам нужен кабель с разъемом DB-25 на каждом конце:

Рисунок 8.