Depuis l'avènement de l'interface USB, le nombre de ports série installés sur les dispositifs série et les ordinateurs hôtes a diminué, mais les interfaces série sont encore largement utilisées dans les environnements de réseaux industriels ou les projets commerciaux. Il existe des dizaines d'interfaces de données série utilisées aujourd'hui. La plupart ont été développées pour des applications spécifiques. Certaines sont devenues courantes, comme I2C, CAN, LIN, SPI, software et hardware, MOST et I2S. Il existe des interfaces série à plus grande vitesse, comme Ethernet, HDMI et Thunder. Les deux interfaces les plus classiques sont RS232 et RS485. La raison pour laquelle ces interfaces Ethernet de longue date ont été utilisées tout au long de l'histoire doit avoir une valeur. Voyons donc quels sont les principes de RS485 et de RS232. Quelle est la différence ? Quelle est la valeur qui leur permet de durer éternellement ?
L'objectif d'une interface série est de fournir un chemin unique pour la transmission de données, soit sans fil, soit par câble. Les bus parallèles sont encore utilisés dans certaines applications. Mais avec les données à grande vitesse qui sont si courantes aujourd'hui, les serveurs série sont le premier choix pratique pour une communication stable sur toute distance supérieure à quelques kilomètres.
Les interfaces série peuvent être utilisées pour fournir un niveau logique standardisé de l'émetteur au récepteur, définir les supports de transmission et les connecteurs, et spécifier la synchronisation et les débits de données. Dans certains cas, elles peuvent effectuer des conversions série-parallèle et parallèle-série, ou spécifier des protocoles de données de base.
La définition des niveaux logiques, des supports et des connecteurs fait partie de la couche physique (PHY) ou couche 1 du modèle de réseau OSI (Open Systems Interconnection). Toutes les autres fonctions, telles que le traitement des données, font partie de la couche MAC (Media Access Control) ou couche 2 du modèle OSI.
Port série RS232
L'une des interfaces série les plus anciennes est souvent appelée RS232. Elle a été créée en 1962 comme méthode de connexion des équipements terminaux de données (ETD), tels que les téléscripteurs électromécaniques, aux équipements de communication de données (ECD). Au fil des ans, elle a été utilisée pour les terminaux vidéo, les ordinateurs et les modems. Les premiers ordinateurs personnels comprenaient un port RS232 appelé port série pour connecter des imprimantes ou d'autres périphériques. Aujourd'hui, elle est encore largement utilisée dans les systèmes de développement d'ordinateurs embarqués, les instruments scientifiques et divers équipements de contrôle industriel.
Le nom officiel de la norme est Electronic Industries Association/Telecommunications Industry Association EIA/TIA-232-F. La lettre F indique les dernières modifications et mises à jour de la norme. Cette norme est essentiellement la même que les spécifications V.24 et V.28 de l'Union internationale des télécommunications (UIT-T).
La norme définit le niveau logique 1 comme une tension comprise entre -3 et -25 V et le niveau logique 0 comme une tension comprise entre 3 et 25 V (figure 1). Les niveaux de signal sont souvent désignés comme des marques de logique 1 et des intervalles de logique 0. Les tensions comprises entre ±3 V sont inefficaces, ce qui confère à l'interface une énorme marge de bruit. Les tensions de bruit situées dans cette plage sont rejetées. Dans la pratique courante, les niveaux logiques 0 et 1 sont généralement aussi bas que ±5 V et aussi élevés que ±12 ou ±15 V . L'émetteur et le récepteur sont configurés en mode asymétrique (non différentiel) avec une référence de masse.
1. Les niveaux de tension définissent le caractère logique 1 ou marque et le caractère logique 0 ou espace. Les tensions comprises entre ±3 V ne sont pas valables.
Le câble peut être constitué de simples fils parallèles ou de paires torsadées. La longueur du câble détermine le débit de données le plus élevé et ne doit généralement pas dépasser 50 pieds. Toutefois, à des débits de données plus faibles, il est possible d'utiliser des câbles plus longs. L'objectif principal aujourd'hui est d'utiliser des câbles dont la capacité entre les fils ne dépasse pas 2500 pF. Cela limite le débit de données supérieur à environ 20 kbits/s. En raison des faibles débits de données utilisés par cette interface, le câble n'est généralement pas considéré comme une ligne de transmission formelle. Les lignes de transmission nécessitent une impédance de générateur et une impédance de charge adaptées afin d'éliminer les réflexions qui provoquent l'altération des données.
La norme définit un connecteur à 25 broches appelé DB-25, qui est conçu pour transporter diverses lignes de contrôle ainsi que des lignes de transmission et de réception de données en série. Ce connecteur est rarement utilisé aujourd'hui. Au lieu de cela, un connecteur à 9 broches appelé DE-9 a été défini et est devenu la norme de facto aujourd'hui (figure 2).
2. Le célèbre connecteur DB9 transmet les signaux indiqués. Ces chiffres correspondent aux numéros des broches du connecteur.
Au départ, les appareils électromécaniques avaient des débits de données très lents. Le débit le plus bas est généralement de 75 bits/seconde, mais les débits de 150 et 300 bits/seconde sont plus courants. Aujourd'hui, le débit de données est défini par le protocole utilisé par l'interface et peut aller jusqu'à 115,2 kbit/s. Les débits de données typiques sont de 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400 et 115 200 bits/seconde. Le débit de données est limité par la vitesse de balayage maximale autorisée de 30 V/µs (volts par microseconde). Pour des câbles courts et de faible capacité, avec des pilotes appropriés, les débits de données peuvent atteindre plusieurs mégabits par seconde.
De nombreuses connexions RS-232 sont unidirectionnelles ou simplex. Toutefois, un fonctionnement bidirectionnel ou semi-duplex est possible en utilisant des signaux spéciaux et des tensions de contrôle disponibles. Deux appareils connectés alternent les opérations d'envoi et de réception.
Les signaux de contrôle de l'interface définissent le protocole d'envoi et de réception des données. Ces signaux indiquent à deux appareils communicants s'ils sont occupés, s'ils transmettent, s'ils sont prêts et s'ils reçoivent. L'appareil émetteur est un ETTD (tel qu'un ordinateur) et l'appareil récepteur est un ETCD (tel qu'une imprimante). Les signaux de contrôle utilisés sur le connecteur commun à neuf broches sont les suivants :
Détection de la porteuse de données (DCD) : L'ETCD informe l'ETTD qu'il reçoit un signal d'entrée valide.
Data Set Ready (DSR) : L'ETCD informe l'ETTD qu'il est connecté et prêt à recevoir.
Données reçues (RD) : Il s'agit du signal réel reçu de l'ETTD.
Demande d'envoi (RTS) : Ce signal de l'ETTD indique à l'ETCD qu'il doit se préparer à envoyer.
Données d'émission (TD) : Il s'agit du signal envoyé par le DTE.
Clear to Send (CTS) : Cette ligne de l'ETCD indique à l'ETTD qu'il est prêt à recevoir des données.
Terminal de données prêt (DTR) : Cette ligne va du DTE au DCE et indique qu'il est prêt à envoyer ou à recevoir des données.
Indicateur de sonnerie (RI) : Cette ligne était utilisée dans les anciennes connexions par modem mais n'est plus utilisée.
Masse du signal : Il s'agit de la masse commune à tous les signaux.
La figure 3 montre le câblage entre l'ETTD et l'ETCD. Faites attention aux interconnexions entre les broches de la ligne de contrôle. Les signaux sur ces broches se répondent les uns aux autres dans un processus appelé contrôle de flux ou "handshaking".
3. Il s'agit d'une connexion commune entre les équipements DTE et DCE. Notez la connexion du câble d'un connecteur à l'autre.
Bien qu'ils ne fassent pas officiellement partie de la norme RS-232, la plupart des appareils série qui utilisent cette interface utilisent également ce que l'on appelle un émetteur-récepteur universel asynchrone (UART). Ce circuit intégré, généralement séparé du circuit d'attaque et de réception de la ligne, met en œuvre un protocole de communication de base qui transmet jusqu'à 8 bits à la fois. Il effectue la conversion série-parallèle et parallèle-série, ajoute des bits de départ et d'arrêt pour indiquer le début et la fin du mot de données, détecte les erreurs de bits de parité et établit le débit de données.
Les données sont généralement des caractères ASCII, mais tout mot de données de 8 bits maximum peut être transféré (figure 4). Les UART peuvent généralement être configurés pour gérer différentes longueurs de mots (5 à 8 bits), ajouter 1, 1,5 ou 2 bits d'arrêt et inclure des bits de parité impairs, pairs ou nuls. Des débits de données allant de 75 bits/s à 115,2 kbit/s sont disponibles en option.
RS-485
Également définie par la norme EIA/TIA, cette interface est désormais appelée TIA-485. Elle définit non seulement une interface unique entre appareils, mais aussi un bus de communication qui peut être utilisé pour former un réseau simple de plusieurs appareils. Sa configuration et ses spécifications étendent également la portée et les débits de données au-delà des capacités de l'interface RS-232.
La norme RS-485 spécifie une signalisation différentielle sur deux lignes, plutôt qu'une signalisation asymétrique avec une tension de référence à la terre. Le niveau logique 1 est supérieur à -200 mV et le niveau logique 0 est supérieur à 200 mV. Les niveaux de tension de ligne typiques des pilotes de ligne vont d'un minimum de ±1,5 V à un maximum d'environ ±6 V. La sensibilité d'entrée du récepteur est de ±200 mV. Le bruit dans la plage de ±200 mV est essentiellement bloqué. Le format différentiel produit une annulation efficace du bruit de mode commun.
Le support de transmission standard est un câble à paires torsadées à fil plein #22 ou #24 AWG. Deux lignes au minimum, mais une troisième ligne de référence peut être utilisée. Un câble à quatre fils peut également être utilisé si un fonctionnement en duplex intégral est requis. Les câbles peuvent être blindés ou non blindés, le non blindé étant le plus courant. Les câbles sont considérés comme des lignes de transmission. L'impédance caractéristique nominale est de 100 ou 120Ω. Des résistances de charge de terminaison sont nécessaires pour garantir des conditions de ligne adaptées afin d'empêcher les réflexions d'introduire des erreurs de données.
La norme ne définit pas de connecteur spécifique. Diverses méthodes de connexion ont été utilisées, notamment les connecteurs RS-232 DE-9. De simples connexions par bornes à vis sont courantes dans certains types d'équipements de contrôle industriel.
La longueur du câble définit le débit de données le plus élevé. Mais en raison des niveaux de tension logique inférieurs et des connexions différentielles, les débits de données peuvent dépasser 10 Mbits/s en fonction de la longueur du câble. La longueur maximale du câble est généralement définie comme étant de 1200 mètres ou environ 4000 pieds. Le débit maximal typique à 4000 pieds est de 100 kbits/s. En règle générale, le produit de la longueur de la ligne en mètres et du débit de données en bits par seconde ne doit pas dépasser 10 8 . Par exemple, un câble de 20 mètres permet un débit maximal de 5 Mbit/s.
L'interface RS-485 peut être utilisée en mode half-duplex simplex sur une seule paire de câbles. Deux paires de câbles peuvent être utilisées en mode full-duplex ou en mode de transmission et de réception simultanées. Une configuration courante est un réseau de bus avec plusieurs branches ou connexions. La norme prévoit un maximum de 32 conducteurs (émetteurs) et 32 récepteurs (figure 5). Lorsqu'il n'émet pas, le conducteur de ligne est déconnecté de la ligne. Tous les récepteurs sont entièrement connectés et le bus est terminé par des résistances d'adaptation de charge.
5. Il s'agit d'une représentation d'un bus différentiel TIA-485 typique montrant les pilotes (D) et les récepteurs (R) individuels ainsi que les émetteurs-récepteurs. Faites attention aux extrémités des résistances de terminaison du bus.
La norme ne définit pas encore de protocole de communication spécifique. Le protocole UART standard est parfois utilisé. La plupart des applications définissent des protocoles uniques.
Modifications de l'interface
Plusieurs variantes de ces deux normes sont parfois utilisées dans la pratique. RS-422 est une variante de RS-485 avec des spécifications similaires, mais elle n'est conçue que pour être utilisée avec un pilote et jusqu'à 10 récepteurs. Les niveaux logiques vont de ±2 à ±6V. La norme RS-423 est une version monophasée plutôt que différentielle de la norme RS-422. Les autres spécifications sont similaires à celles de l'interface RS-485.
Domaines d'application
Actuellement, la norme TIA-232 a été déployée dans une variété d'applications à faible débit et à courte portée. Elle est particulièrement efficace pour les équipements utilisés dans des environnements bruyants tels que les usines, les installations de contrôle des processus et les sites de services publics. La longueur du câble est généralement inférieure à 15 mètres. Les dispositifs les plus courants sont les modems à bas débit, les équipements de contrôle industriel tels que les automates programmables (PLC), les machines-outils à commande numérique (CNC), les robots, les ordinateurs de contrôle intégrés, les instruments et équipements médicaux et les systèmes de développement de contrôleurs intégrés.
L'interface TIA-485 est également largement utilisée dans les applications industrielles nécessitant des vitesses plus élevées et des distances plus longues. Elle est utilisée pour les appareils du même type que ceux définis par l'interface RS-232, ainsi que pour des appareils tels que les terminaux de point de vente (POS), les instruments de mesure et les grandes machines d'automatisation spécialisées. Les réseaux définis par des bus de terrain tels que Profibus et Modbus l'utilisent également.
La plupart des nouveaux appareils utilisent l'interface USB très répandue. Cependant, il est souvent nécessaire ou souhaitable de passer d'une interface à une autre pour permettre l'utilisation conjointe d'appareils de types ou d'âges différents. Divers convertisseurs sont disponibles pour convertir l'interface USB en TIA-232 ou TIA -485, TIA-232 en TIA 485, et vice versa.
résumé
En général, RS232 est la meilleure solution pour les besoins adaptés aux courtes distances et aux faibles vitesses. Elle est simple et peu coûteuse, et l'interface peut être construite à l'aide de nombreux composants tels que des pilotes et des récepteurs de ligne, des UART et des connecteurs. Certains pilotes permettent des débits de données allant jusqu'à 2 ou 3 Mbit/s sur des lignes courtes. La plupart des puces d'interface contiennent un convertisseur DC-DC à pompe de charge qui fournit des tensions d'alimentation positives et négatives, ce qui permet au circuit intégré de fonctionner à partir d'une seule alimentation de 3,3V ou 5V.
RS485 offre des vitesses plus élevées sur de plus longues distances, ou si des capacités de réseau duplex sont requises. De même, de nombreux composants standard sont disponibles pour créer des interfaces. Le pilote et le récepteur du circuit intégré peuvent tolérer plus de 32 interruptions et le débit de données peut atteindre 40 Mbit/s. Certains circuits intégrés comprennent également des convertisseurs c.c.-c.c. qui fournissent une double tension d'alimentation.
Mots-clés : RS485 vers 4G
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