矛盾した回線を介してリモートCOMコントローラーをコンピューターのUSBポートに接続する

これまで、COMポートを介してコンピューターに接続するデバイスは数多くありますが、COMコンピューターがCOMコンピューターに組み込まれることはめったにないため、COMデバイスとの通信は特別な信号コンバーターによって補完されるUSBポートを介して行われます。 （COMポートの信号と比較して）USBラインの信号の周波数が大幅に増加すると、ラインの長さに制限がかかり、コストが増加し、ラインのマッチングの問題を解決する必要があります。 この作業では、Arduino UNOコントローラーの例を使用して、一貫性のない長い回線を介してCOMデバイスをコンピューターに接続することを検討します。

USBチャネル構造-Arduino UNOボード

Arduino UNOコントローラーをUSBポート経由でコンピューターに接続する典型的な図を図1に示します。コンピューター側では、通信チャネルは標準COMポートとして表示されます。 しかし、実際には、これはコンピューターが12 MHzの周波数でデータパケットを交換する仮想COMポートであり、Arduino UNOボードにある専用コントローラーがUSBデータパケットを0/5 Vレベルの非同期UARTインターフェイスの形式のビットシーケンスに変換します。メインArduino UNOコントローラー（ATmega328Pチップ）によって使用され、プログラムの実行中にプログラムをダウンロードし、コンピューターとデータを交換します。





図1. USBポートを介したArduino UNOコントローラーのコンピューターへの典型的な接続。



信号レベルが0 / 5VのデバイスのUARTルールに従ったシリアルデータ送信のタイミング図を図2に示します。データはバイト単位で送信されます。 データに加えて、シーケンスには開始ビットと停止ビットが含まれ、他のサービスビット、たとえばパリティビットなどが含まれる場合があり、その用途はCOMポート設定で指定され、標準伝送速度の1つもそこに設定されます。



ご注意 UART非同期インターフェイスファミリで最もよく知られている標準は、コンピューターのCOMポートで使用される物理層RS-232です。



COMポートには同期信号がありません。送信機と受信機の両方で5％以下のクロック精度で時間間隔が形成されます。





図2. Arduino UNOコントローラーのATmega328PチップのUARTシリアルデータ送信（01001011）のタイミング図。



Arduino UNOコントローラーには、UART信号をUSBシーケンスに、またはその逆に変換する専用のコントローラーが含まれています。 仮想COMポートと通信するコンピューターのUSBポートは、12 Mbpsの周波数でフルスピードモードで動作します（図3）。 このモードはUSB 1.0としてサポートします。 USB 2.0も同様です。





図3. Arduinoコントローラーの差動USB – COMラインで測定された4V信号。 USBケーブルの長さ2m。 USBラインの信号の周波数は12 MHzです。 信号を生成するために、コントローラーのCOMポートでのデータ記録が使用されました。 USBデータ12 MHzの周波数は、9600 bpsおよび115200 bpsの速度でCOMポートに書き込むときに変化しませんでした。



USBバス上のデータはパケットで送信されます（図4）。 パケットサイズは、実行される伝送のタイプによって異なります。 フルスピードモードの各パケットには、受信機と送信機の8ビットのクロック同期（Sync）、8ビットのパケット識別子（PID）、および2ビットのパケットエンド（EOP）が含まれます。 データブロックは0〜1023バイトです。





図4. フルスピードモードでの差動USB 1.1回線を介したパケット送信の例[2]。 差動信号の状態の変化はゼロの転送に対応し、レベルの保存は1の転送に対応します。 ユニットシーケンスの同期を改善するために、連続する6ユニットごとにゼロが強制されます。



データパケットに加えて、他のパケットも送信されます。 すべてのUSB伝送では、ホストコントローラーとレシーバーの間で2または3パケットの情報を転送する必要があります。 転送が成功すると、宛先は確認パケットを返します。 送信中にエラーが検出されると、非通知パケットが生成されます。



差動USB信号は、シールド付き4線ケーブルのツイストペアケーブルを介して送信されます。 規格によれば、高速USB 2.0ケーブルの信号導体断面積は、ケーブル長に応じて28 AWGであり、パワーコアでは20〜28 AWGでなければなりません（表1を参照）。



表1. USB2ケーブルのワイヤの長さと直径の大まかな対応。

ワイヤサイズ[3]







USBケーブルの長さを長くするために、内蔵の信号増幅器が装備されています。

高速モード（最大480 Mbps）のUSB 2.0仕様の要件によると、ケーブルの信号伝搬遅延は5.2 ns / mを超えてはならず、最大ケーブル長5 mを決定する26 nsを超えてはなりません。



同軸ケーブルの長さ1メートルあたりの遅延は、次のように計算されるm / s単位の波の伝播速度に反比例します。



、

ここで、cは光の速度3 * 10 ^ 8 m / sです。 eは、内部絶縁体の材料の誘電率です。 uは、絶縁体の透磁率です。 u = 1およびe = 2.2のポリエチレンの場合、位相速度は2 * 10 ^ 8 m / sであるため、遅延は5 ns / mです。



信号損失を減らすには、信号線の波動インピーダンス（ v.s. ）の均一性を確保することが重要です。 西暦の変化 品質の悪いケーブル終端、ライン要素の不整合、コネクタの品質不良などが原因である可能性があります。



ケーブルの波動インピーダンスは、その設計によって決まります。 V.S. 高周波領域（30 kHz以上）の同軸ケーブルは、次の式で計算されます。





ここで、Lは短絡したケーブルの縦インダクタンスGNです。 Cはオープンケーブルの横方向の容量、f; eは絶縁体の誘電率です。 Dは絶縁体の直径です。 dは導体の直径です。 V.S.の値 ケーブル長に依存しません。

絶縁体の誘電率は1〜7：1の範囲にあります-空気、真空; 1.3 ... 2.4-ポリエチレン; 2.5..6-ゴム; 5..7-磁器; 6..7-マイカ; 7-ガラス。

V.S.の値 ツイストペアUSB 2.0ケーブルは90±15％オームです[5]。 計算VS シールド付きツイストペアでは、導体の相対位置を考慮する必要があります。



両端に負荷があり、V.S。に等しい抵抗を持つマッチドケーブルでは、送信された電磁エネルギーはすべて、反射することなく受信機によって完全に吸収されます。 不均一なラインで、電気的に矛盾する場所で負荷が一貫していない場合、反射波が発生し、エネルギーの一部がラインの先頭に戻ります。

ケーブル内の波の反射係数は



、

ここで、rHは負荷抵抗です。 Z-V.S. ケーブル。



USBラインに不一致の要素を含めると、信号が大幅に歪む可能性があります。 たとえば、10〜40オームの波動インピーダンスの電源ケーブルからの電気リードを含めると、ラインは動作しないように見えます。

USBチャネル構造-RS-232-Arduino UNOボード

USBポートを介したリモートCOMデバイスとコンピューター間の安定した通信を確保するために、USBチャンネルの長さを最小限に抑え、USB-RS-232コンバーターをUSBラインの出力に取り付け、長いラインを介してレベルコンバーターに接続+ 15 / -15V == 0 / 5V、図5に示すように、Arduinoコントローラーの近くにあり、UARTポートに接続されています。この構造のデータ交換レートは、ArduinoをUSBケーブルでコンピューターに接続する場合と同じですが、長いラインの信号周波数は0のようにほぼ100倍低くなります、115200 Mbit / sおよび12 Mbit / s。





図5. USBポートと長い不整合ラインを介したコンピューターへのArduino UNOコントローラー接続図。 コンピュータのCOMポートの標準DB-9コネクタのGND、Txトランスミッター、およびRxレシーバーピンの指定は、左上に表示されています。 デバイス側では、DB-9コネクタのTxD信号とRxD信号を交換する必要があります。

RS-232インターフェースには次の特性があります[7,8]。

信号伝送方式単相

レシーバーの最大数1

最大ビットレート460 kbps

最大ケーブル長15 m（460 kbit / sの場合）

コモンモード出力電圧±25V

負荷インピーダンス3 ..7 kOhm

レシーバーの入力で許容される信号の範囲±25V

レシーバー感度±3V

レシーバー入力インピーダンス3 ..7 kOhm

2500 pcF以下の負荷容量*

______________________

*小容量のケーブルを使用する場合、最大300 mの距離で通信をサポートできます[1]。

RS232レベルコンバーター（図5）はビットシーケンスを変更しません。 信号レベルを0/5 Vから+ 12 / -12 Vに、またはその逆に変更します（図6）。





図6. RS232コンバーターのタイミング図と信号レベル。



チップを使用して、RS232信号レベルを変換できます。たとえば、MAX232（Maxim Integrated Products）、SP232（Sipex）、ADM232（Analog Devices）などです。 これらの超小型回路には、同じ特性とピン割り当てがあります。 MAX232の接続を図7 [6]に示します。





図7. MAX232レベルコンバータの接続図。 この回路は、RS-232インターフェースに対応する約±7.5 Vの出力電圧レベルを提供します。



市場では、これらおよび他の超小型回路に基づいて構築されたレベルコンバーターの多くのモジュールを提供しています。 これらのモジュールの1つの外観を（図5）に示します。



デバイスを標準のCOMポート（ある場合）を介してコンピューターに接続するか、USBポートに直接または独自のUSBケーブルを介して接続されたUSB-RS232コンバーター（他の名前：USB-COMコンバーター、アダプター、またはアダプター）を使用できます。 USBコンバーターの外観を図5に示します。



ラインCOMデバイスのレイアウトの実施例-RS-232ラインのないコンピューターのUSBポートを図8に示します。





図8. Arduino UNOコントローラーをコンピューターのUSB-COMコンバーターに接続するためのオプション。



Arduino UNOコントローラーとコンピューター間のデータ交換チャネルの操作性を確認するために、図9および図10に示すようなワイヤを長い不整合線で組み立てました。ワイヤの一部をねじって接続するか、摩擦によってソケットジャックに保持しました。





図9. 9.5 m複合ケーブルのRS232チャネル。





図10. 9.5 m複合ケーブルからのRS232チャネルワイヤの断片。



Arduino UNOコントローラーのCOMポートを介したデータの送受信は、コンピューターユーティリティCOM Port Toolkitによって制御されていました。



以下に、回線のテスト、COMポートへのデータバイトの送信、外部コマンドの到着時のコントローラーLEDの切り替えに使用されるArduino UNOプログラムを示します。

void setup() { pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); Serial.begin(115200); //   , 9600,115200 } void loop() { if (Serial.available() >0) { mode = Serial.read(); // read byte switch (mode) { case 1: digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // turn the LED on break; case 2: digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // turn the LED off break; } } Serial.print(5); // 6 or 9 }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

RS-232回線の各端で取得した信号の波形を図11に示します。データは115200 bpsの周波数で送信されます。





図11.長さ9.5 mの複合ケーブルのRS-232ラインの両端での振幅が+ 7.5 / -8 Vの信号データ転送周波数は115200ビット/ sです。 信号には顕著な歪みはありません。

Arduino UNOコントローラーファームウェア

Arduinoコントローラーへのプログラムのダウンロードは、コントローラーの電源を入れた直後、またはボードのリセットボタンを押した直後、またはコンピューターがUSBラインを介してリセット信号を発行した後に起動する内部ブートローダーを使用して実行されます。



ArduinoボードがRS-232チャネルを介して2つの信号線TxおよびRxに接続され、リセット信号線がない場合、ダウンロードは次の順序で実行されました。



1. Arduino開発環境が起動されました（USB経由のブートモードなど）。



2.プログラムがロードされました（USB経由のブートモードのように）。

3.プログラムのファームウェアは、コマンドCtrl + Uまたはボタンを介して起動されました （USB経由のブートモードの場合）

4.さらに、ファームウェアを開始して進行状況インジケーターを埋めた後 リセットボタンを押した Arduinoコントローラボード上で約0.5秒間。



成功したファームウェアはメッセージで終了します



。



ファームウェアは正常に実行され、リセットボタンを押す代わりに、コントローラーの短期間の電源がオフになりました。



Arduinoコントローラーブートローダーは、コンピューターから自動的に起動することもできます。リセットボタンを押したり、短時間電源を切ったりする必要はありません。 このためには、たとえば、RS-232チャネルをTx、Rx、およびGNDでRTSラインで補完し、レベルコンバーターを介してArduinoコントローラーのRESET入力に接続する必要があります。

おわりに

1. 拡張USBラインを介したSOMデータ送信は、より高い周波数（12 MHz）のパケットによって実行され、調整されたラインが必要です。
2. USBパスの長さを最小限に抑え、長いラインを使用してCOMデータを直接送信することにより、合計9.5 mの調整されていないワイヤを介した信頼性の高いデータ転送を保証できました。
3. RS-232データは、低容量（2500 pF未満）の回線を介して低周波数で送信でき、最大300 mの距離で実行できます。
4. コンピューターのUSBポートとのリモート通信にRS-422または485差動ラインを使用すると、ラインマッチングの問題を解決するときに最大1200 mの距離を延長できます。

文学

1. WikipediA。 無料の百科事典。

2. WikipediA。 無料の百科事典。

3. WikipediA。 無料の百科事典。

4. ツイストペアを介した伝送方法。

5. USB2.0 AプラグBプラグマルチメディアケーブル。

6. + 5V駆動のマルチチャンネルRS-232ドライバー/レシーバー。

7. 博士 ボブ・ダビドフ。 シリアルデータポートインターフェイスコンバーター。

8. 博士 ボブ・ダビドフ。