Sinds de komst van de USB interface is het aantal seriële poorten geïnstalleerd op seriële apparaten en computer hosts afgenomen, maar seriële interfaces worden nog steeds veel gebruikt in industriële netwerkomgevingen of commerciële projecten. Er zijn tegenwoordig tientallen seriële data-interfaces in gebruik. De meeste zijn ontwikkeld voor specifieke toepassingen. Sommige zijn gemeengoed geworden, zoals I2C, CAN, LIN, SPI, software en hardware, MOST en I2S. Er zijn seriële interfaces met hogere snelheden zoals Ethernet, HDMI en Thunder. De twee meest klassieke interfaces zijn RS232 en RS485. De reden waarom deze aloude Ethernet interfaces al die tijd zijn gebruikt moet waarde hebben. Dus laten we eens bestuderen wat de principes zijn van RS485 en RS232? Wat is het verschil? Welke waarde kan ervoor zorgen dat ze eeuwig blijven bestaan?
Het hele doel van een seriële interface is om een enkel pad te bieden voor gegevensoverdracht, draadloos of via een kabel. Parallelle bussen worden nog steeds gebruikt in sommige toepassingen. Maar met de hoge snelheidsgegevens die tegenwoordig zo gebruikelijk zijn, zijn seriële servers de eerste praktische keuze voor stabiele communicatie over een afstand van meer dan een paar kilometer.
Seriële interfaces kunnen worden gebruikt om een gestandaardiseerd niveau van logica van zender naar ontvanger aan te bieden, transmissiemedia en connectoren te definiëren en timing en gegevenssnelheden te specificeren. In sommige gevallen kunnen ze serieel-naar-parallel en parallel-naar-serieel conversies uitvoeren of basis gegevensprotocollen specificeren.
De definitie van logische niveaus, media en connectoren maakt deel uit van de fysieke laag (PHY) of Laag 1 van het Open Systems Interconnection (OSI) netwerkmodel. Alle andere functies zoals gegevensverwerking maken deel uit van de Media Access Control (MAC)-laag of Laag 2 van het OSI-model.
RS232 seriële poort
Een van de oudste seriële interfaces wordt vaak RS232 genoemd. Het werd oorspronkelijk in 1962 in het leven geroepen als een methode om dataterminalapparatuur (DTE), zoals elektromechanische teletypewriters, te verbinden met datacommunicatieapparatuur (DCE). In de loop der jaren is het ook gebruikt voor video terminals, computers en modems. De eerste personal computers hadden een RS232 seriële poort voor het aansluiten van printers of andere randapparatuur. Vandaag de dag wordt het nog steeds veel gebruikt in embedded computer ontwikkelingssystemen, wetenschappelijke instrumenten en diverse industriële regelapparatuur.
De officiële naam van de standaard is Electronic Industries Association/Telecommunications Industry Association EIA/TIA-232-F. De letter F geeft de laatste standaardwijzigingen en updates aan. Deze standaard is in essentie hetzelfde als de International Telecommunications Union - Telecommunications (ITU-T ) specificaties V.24 en V.28.
De standaard definieert logica 1 als een spanning tussen -3 en -25 V en logica 0 als een spanningsniveau tussen 3 en 25 V (afbeelding 1). Signaalniveaus worden vaak aangeduid als markeringen van logica 1 en intervallen van logica 0. Spanningen tussen ±3 V zijn ineffectief, waardoor de interface een enorme ruismarge heeft. Ruisspanningen binnen dit bereik worden verworpen. In de praktijk zijn logische 0 en 1 niveaus meestal zo laag als ±5 V en zo hoog als ±12 of ±15 V . De zender en ontvanger zijn geconfigureerd als single-ended (niet differentieel) met een massareferentie.
1. Spanningsniveaus definiëren logische 1 of markering en logische 0 of spatie. Spanningen tussen ±3 V zijn niet geldig.
Het kabelmedium kan bestaan uit eenvoudige parallelle draden of getwiste paren. De lengte van de kabel bepaalt de hogere gegevenssnelheid en mag over het algemeen niet langer zijn dan 50 voet. Bij lagere gegevenssnelheden kunnen echter langere kabels worden gebruikt. Het belangrijkste doel is tegenwoordig om kabels te gebruiken met niet meer dan 2500 pF capaciteit tussen de draden. Dit beperkt de maximale datasnelheid tot ongeveer 20 kbits/s. Vanwege de lage datasnelheden die door deze interface worden gebruikt, wordt de kabel meestal niet beschouwd als een formele transmissielijn. Transmissielijnen vereisen gematchte generatorimpedantie en belastingsimpedantie om reflecties te elimineren die datacorruptie veroorzaken.
De standaard definieert een 25-pens connector, DB-25 genaamd, die ontworpen is om verschillende besturingslijnen en seriële datatransmissie- en -ontvangstlijnen te dragen. Deze connector wordt tegenwoordig nog maar zelden gebruikt. In plaats daarvan werd een 9-pins connector genaamd DE-9 gedefinieerd, die vandaag de dag de de facto standaard is (afbeelding 2).
2. De populaire DB9-connector draagt de afgebeelde signalen. Deze nummers zijn de pinnummers op de connector.
Aanvankelijk hadden elektromechanische apparaten zeer lage gegevenssnelheden. De laagste snelheid is meestal 75 bits/seconde, maar 150 en 300 bits/seconde komen vaker voor. Tegenwoordig wordt de datasnelheid bepaald door het protocol dat door de interface wordt gebruikt en kan deze oplopen tot 115,2 kbit/s. Typische datasnelheden zijn 1200, 2400, 4800, 9600, 19.200, 38.400 en 115.200 bits/seconde. De gegevenssnelheid wordt beperkt door de maximaal toegestane slew rate van 30 V/µs (volt per microseconde). Voor korte kabels met lage capaciteit en geschikte stuurprogramma's kan de datasnelheid oplopen tot enkele megabits per seconde.
Veel RS-232 verbindingen zijn eenrichtingsverkeer of simplex. Bidirectionele of half-duplex werking is echter mogelijk met behulp van speciale signalen en stuurspanningen. Twee aangesloten apparaten wisselen het zenden en ontvangen af.
De besturingssignalen in de interface definiëren het protocol voor het verzenden en ontvangen van gegevens. Deze signalen vertellen twee communicerende apparaten wanneer ze bezig zijn, zenden, klaar zijn en ontvangen. Het zendende apparaat is een DTE (zoals een computer) en het ontvangende apparaat is een DCE (zoals een printer). De besturingssignalen die gebruikt worden op de gemeenschappelijke negen-pens connector zijn:
Data Carrier Detectie (DCD): De DCE informeert de DTE dat het een geldig ingangssignaal ontvangt.
DSR (Data Set Ready): DCE informeert de DTE dat hij verbonden is en klaar is om te ontvangen.
Ontvangen gegevens (RD): Dit is het werkelijke signaal dat ontvangen wordt van de DTE.
Verzoek tot verzenden (RTS): Dit signaal van de DTE vertelt de DCE om zich voor te bereiden om te zenden.
Gegevens verzenden (TD): Dit is het signaal dat verzonden wordt door de DTE.
Clear to Send (CTS): Deze lijn op de DCE vertelt de DTE dat hij klaar is om data te ontvangen.
Data Terminal Ready (DTR): Deze lijn gaat van DTE naar DCE en geeft aan dat het klaar is om data te zenden of te ontvangen.
Ringing Indicator (RI): Deze lijn werd gebruikt in oudere modemverbindingen, maar wordt niet meer gebruikt.
Signaalaarde: Dit is de gemeenschappelijke massa voor alle signalen.
Figuur 3 toont de bekabeling van de DTE naar de DCE. Let op de onderlinge verbindingen tussen de pinnen van de controlelijn. Signalen op deze pinnen reageren op elkaar in een proces dat flow control of "handshaking" wordt genoemd.
3. Dit is een gemeenschappelijke aansluiting tussen DTE en DCE apparatuur. Let op de aansluiting van de kabel van de ene connector naar de andere.
Hoewel het niet officieel deel uitmaakt van de RS-232 standaard, gebruiken de meeste seriële apparaten die deze interface gebruiken ook een zogenaamde Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART). Dit IC, dat meestal los staat van het lijnstuurprogramma en het ontvangercircuit, implementeert een basis communicatieprotocol dat tot 8 bits per keer verstuurt. Het voert serieel-naar-parallel en parallel-naar-serieel conversie uit, voegt start- en stopbits toe om het begin en einde van het datawoord aan te geven, detecteert pariteitsbits op fouten en bepaalt de datasnelheid.
De gegevens zijn meestal ASCII-tekens, maar elk datawoord van maximaal 8 bits kan worden overgedragen (Afbeelding 4). UART's kunnen meestal worden geconfigureerd om verschillende woordlengtes (5 tot 8 bits) te verwerken, 1, 1.5 of 2 stopbits toe te voegen en oneven, even of geen pariteitsbits toe te voegen. Gegevenssnelheden van 75 bit/s tot 115.2 kbit/s zijn optioneel.
RS-485
Deze interface is ook gedefinieerd door de EIA/TIA standaard en heet nu TIA-485. Het definieert niet alleen een enkele apparaat-naar-apparaat interface, maar ook een communicatiebus die kan worden gebruikt om een eenvoudig netwerk van meerdere apparaten te vormen. De configuratie en specificaties breiden ook het bereik en de gegevenssnelheden uit tot voorbij de mogelijkheden van de RS-232 interface.
De RS-485 standaard specificeert differentiële signalering op twee lijnen, in plaats van single-ended met een referentiespanning naar massa. Het niveau van logica 1 is groter dan -200 mV en het niveau van logica 0 is groter dan 200 mV. Typische lijnspanningsniveaus van lijndrivers variëren van een minimum van ±1,5 V tot een maximum van ongeveer ±6 V. De ingangsgevoeligheid van de ontvanger is ±200 mV. Ruis in het ±200 mV bereik wordt in wezen geblokkeerd. Het differentiële formaat zorgt voor effectieve ruisonderdrukking.
Het standaard transmissiemedium is #22 of #24 AWG kabel met getwiste aderparen. Minimaal twee lijnen, maar een derde referentielijn mag worden gebruikt. Een vieraderige kabel kan ook worden gebruikt als full-duplexwerking vereist is. Kabels kunnen afgeschermd of niet-afgeschermd zijn, waarbij niet-afgeschermd het meest gangbaar is. Kabels worden beschouwd als transmissielijnen. De nominale karakteristieke impedantie is 100 of 120Ω. Afsluitweerstanden zijn nodig om ervoor te zorgen dat de lijnvoorwaarden op elkaar zijn afgestemd om te voorkomen dat reflecties gegevensfouten introduceren.
De standaard definieert geen specifieke connector. Er zijn verschillende aansluitmethoden gebruikt, waaronder RS-232 DE-9 connectoren. Eenvoudige schroefaansluitingen zijn gebruikelijk in sommige soorten industriële regelapparatuur.
Kabellengte bepaalt de hogere gegevenssnelheid. Maar door lagere logische spanningsniveaus en differentiële verbindingen kunnen gegevenssnelheden hoger zijn dan 10 Mbits/s, afhankelijk van de kabellengte. De maximale kabellengte wordt meestal gedefinieerd als 1200 meter of ongeveer 4000 voet. De typische maximale gegevenssnelheid op 4000 voet is 100 kbits/s. Een algemene richtlijn is dat het product van de kabellengte in meters en de gegevenssnelheid in bits per seconde niet hoger mag zijn dan 10 8 . Een kabel van 20 meter staat bijvoorbeeld een maximale gegevenssnelheid van 5 Mbit/s toe.
De RS-485 interface kan gebruikt worden in half-duplex simplex modus over een enkel paar kabels. Twee paar kabels kunnen gebruikt worden voor full-duplex of gelijktijdig zenden en ontvangen. Een veelgebruikte configuratie is een busnetwerk met meerdere takken of verbindingen. De standaard specificeert een maximum van 32 drivers (zenders) en 32 ontvangers (Afbeelding 5). Als er niet wordt gezonden, is de lijndriver losgekoppeld van de lijn. Alle ontvangers zijn volledig aangesloten en de bus is afgesloten met lastafstemmingsweerstanden.
5. Dit is een afbeelding van een typische TIA-485 differentiële bus met de individuele drivers (D) en receivers (R) en de transceivers. Let op de uiteinden van de busafsluitweerstanden.
De standaard definieert nog geen specifiek communicatieprotocol. Soms wordt het standaard UART-protocol gebruikt. De meeste toepassingen definiëren unieke protocollen.
Veranderingen aan de interface
Verschillende variaties van deze twee standaarden worden af en toe in de praktijk aangetroffen. RS-422 is een variatie op RS-485 met vergelijkbare specificaties, maar is alleen ontworpen voor gebruik met één driver en maximaal 10 ontvangers. De logische niveaus variëren van ±2 tot ±6V . RS-423 is een single-ended in plaats van differentiële versie van RS-422. Voor de rest zijn de specificaties gelijk aan die van de RS-485 interface.
Toepassingsgebieden
Momenteel wordt de TIA-232 standaard gebruikt in een groot aantal toepassingen met een lage datasnelheid en een kort bereik. Het is met name effectief in apparatuur die wordt gebruikt in lawaaiige omgevingen zoals fabrieken, procesbesturingsinstallaties en nutsbedrijven. De kabellengte is meestal minder dan 50 voet. Veelgebruikte apparaten zijn modems met lage snelheid, industriële besturingsapparatuur zoals programmeerbare logische controllers (PLC's), CNC-machines, robots, ingebedde besturingscomputers, medische instrumenten en apparatuur en ingebedde controllerontwikkelingssystemen.
De TIA-485 interface wordt ook veel gebruikt in industriële toepassingen die hogere snelheden en langere afstanden vereisen. Ze wordt gebruikt voor apparaten van hetzelfde type als die gedefinieerd door de RS-232 interface, maar ook voor apparaten zoals betaalterminals, meetinstrumenten en grote gespecialiseerde automatiseringsmachines. Netwerken gedefinieerd door veldbussen zoals Profibus en Modbus maken er ook gebruik van.
De meeste nieuwe apparaten gebruiken de populaire USB-interface. Het is echter vaak nodig of wenselijk om van de ene interface naar de andere te converteren om apparaten van verschillende types of leeftijden samen te kunnen gebruiken. Er zijn verschillende converters beschikbaar om USB om te zetten naar TIA-232 of TIA -485, TIA-232 naar TIA 485 en omgekeerd.
samenvatting
Over het algemeen is RS232 het meest geschikt voor korte afstanden en lage snelheden. Het is eenvoudig en goedkoop en de interface kan worden opgebouwd uit vele componenten zoals lijndrivers en ontvangers, UARTs en connectoren. Sommige drivers maken datasnelheden tot 2 of 3 Mbit/s op korte lijnen mogelijk. De meeste interfacechips bevatten een laadpomp DC-DC converter die positieve en negatieve voedingsspanningen levert, waardoor het IC kan werken met een enkele 3,3V of 5V voeding.
RS485 biedt hogere snelheden over grotere afstanden of als duplex netwerkmogelijkheden vereist zijn. Ook zijn er veel standaardcomponenten beschikbaar voor het maken van interfaces. De driver en ontvanger van het IC kunnen meer dan 32 interrupts verdragen en de datasnelheid kan oplopen tot 40 Mbit/s. Sommige IC's bevatten ook DC-dc converters die dubbele voedingsspanningen leveren.
Trefwoorden: RS485 naar 4G
Dutch 
English 
Russian 
German 
Spanish 
Italian 
Portuguese 
French