Desde o advento da interface USB, o número de portas série instaladas em dispositivos série e anfitriões de computador diminuiu, mas as interfaces série continuam a ser amplamente utilizadas em ambientes de redes industriais ou projectos comerciais. Existem dezenas de interfaces de dados série atualmente em utilização. A maioria foi desenvolvida para aplicações específicas. Algumas tornaram-se comuns, como I2C, CAN, LIN, SPI, software e hardware, MOST e I2S. Existem interfaces de série de maior velocidade, como Ethernet, HDMI e Thunder. As duas interfaces mais clássicas são a RS232 e a RS485. A razão pela qual estas interfaces Ethernet de longa data têm sido utilizadas desde sempre deve ter valor. Vamos então estudar quais são os princípios da RS485 e da RS232? Qual é a diferença? Qual o valor que as pode fazer durar para sempre?
O objetivo de uma interface série é fornecer um caminho único para a transmissão de dados, quer sem fios quer através de um cabo. Os barramentos paralelos ainda são utilizados em algumas aplicações. Mas com os dados de alta velocidade que são tão comuns hoje em dia, os servidores de série são a primeira escolha prática para uma comunicação estável a uma distância superior a alguns quilómetros.
As interfaces de série podem ser utilizadas para fornecer um nível normalizado de lógica do transmissor para o recetor, definir meios de transmissão e conectores e especificar temporização e taxas de dados. Em alguns casos, podem efetuar conversões série-paralelo e paralelo-para-série ou especificar protocolos de dados básicos.
A definição dos níveis lógicos, dos meios e dos conectores faz parte da camada física (PHY) ou camada 1 do modelo de rede Open Systems Interconnection (OSI). Quaisquer outras funções, como o processamento de dados, fazem parte da camada de controlo de acesso aos meios (MAC) ou da camada 2 do modelo OSI.
Porta série RS232
Uma das interfaces de série mais antigas é frequentemente designada por RS232. Foi originalmente criada em 1962 como um método de ligação de equipamentos terminais de dados (DTE), como as máquinas de escrever electromecânicas, a equipamentos de comunicação de dados (DCE). A sua utilização ao longo dos anos incluiu terminais de vídeo, computadores e modems. Os primeiros computadores pessoais incluíam uma porta RS232, chamada porta série, para ligar impressoras ou outros dispositivos periféricos. Atualmente, continua a ser amplamente utilizado em sistemas de desenvolvimento de computadores incorporados, instrumentos científicos e vários equipamentos de controlo industrial.
O nome oficial da norma é Electronic Industries Association/Telecommunications Industry Association EIA/TIA-232-F. A letra F indica as últimas modificações e actualizações da norma. Esta norma é essencialmente a mesma que as especificações V.24 e V.28 da União Internacional das Telecomunicações (UIT-T).
A norma define a lógica 1 como uma tensão entre -3 e -25 V e a lógica 0 como um nível de tensão entre 3 e 25 V (Figura 1). Os níveis de sinal são frequentemente referidos como marcas de lógica 1 e intervalos de lógica 0. As tensões entre ±3 V são ineficazes, dando à interface uma enorme margem de ruído. As tensões de ruído dentro desta gama são rejeitadas. Na prática comum, os níveis lógicos 0 e 1 são tipicamente tão baixos quanto ±5 V e tão altos quanto ±12 ou ±15 V . O transmissor e o recetor são configurados como terminais simples (não diferenciais) com uma referência de terra.
1. Os níveis de tensão definem 1 lógico ou marca e 0 lógico ou carácter de espaço. As tensões entre ±3 V não são válidas.
O meio do cabo pode ser simples fios paralelos ou pares entrançados. O comprimento do cabo determina o débito de dados mais elevado e, geralmente, não deve exceder 15 metros. No entanto, com débitos de dados mais baixos, podem ser utilizados cabos de maior comprimento. Atualmente, o principal objetivo é utilizar cabos com uma capacitância não superior a 2500 pF entre os fios. Isso limita a taxa de dados superior a aproximadamente 20 kbits/s. Devido às baixas taxas de dados utilizadas por esta interface, o cabo não é tipicamente considerado uma linha de transmissão formal. As linhas de transmissão requerem uma impedância de gerador e uma impedância de carga correspondentes para eliminar reflexões que causam corrupção de dados.
A norma define um conetor de 25 pinos denominado DB-25, concebido para transportar várias linhas de controlo, bem como linhas de transmissão e receção de dados em série. Este conetor raramente é utilizado atualmente. Em vez disso, foi definido um conetor de 9 pinos denominado DE-9, que se tornou a norma de facto atualmente (Figura 2).
2. O popular conetor DB9 transporta os sinais apresentados. Estes números são os números dos pinos no conetor.
Inicialmente, os dispositivos electromecânicos tinham débitos de dados muito lentos. O débito mais baixo é normalmente de 75 bits/segundo, mas os 150 e 300 bits/segundo são mais comuns. Atualmente, o débito de dados é definido pelo protocolo utilizado pela interface e pode ir até 115,2 kbit/s. Os débitos de dados típicos são 1200, 2400, 4800, 9600, 19.200, 38.400 e 115.200 bits/segundo. A taxa de dados é limitada pela taxa de variação máxima permitida de 30 V/µs (volts por microssegundo). Para cabos curtos e de baixa capacidade, com controladores adequados, os débitos de dados podem atingir vários megabits por segundo.
Muitas ligações RS-232 são unidireccionais ou simplex. No entanto, é possível o funcionamento bidirecional ou half-duplex utilizando sinais especiais e tensões de controlo disponíveis. Dois dispositivos ligados alternam as operações de envio e receção.
Os sinais de controlo na interface definem o protocolo de envio e receção de dados. Estes sinais indicam aos dois dispositivos em comunicação quando estão ocupados, a transmitir, prontos e a receber. O dispositivo emissor é um DTE (por exemplo, um computador) e o dispositivo recetor é um DCE (por exemplo, uma impressora). Os sinais de controlo utilizados no conetor comum de nove pinos são:
Deteção de portadora de dados (DCD): O DCE informa o DTE de que está a receber um sinal de entrada válido.
Data Set Ready (DSR): O DCE informa o DTE de que está ligado e pronto a receber.
Dados recebidos (RD): Este é o sinal atual recebido do DTE.
Pedido de envio (RTS): Este sinal do DTE diz ao DCE para se preparar para enviar.
Transmissão de dados (TD): Este é o sinal enviado pelo DTE.
Limpar para enviar (CTS): Esta linha no DCE informa o DTE que está pronto para receber dados.
Terminal de dados pronto (DTR): Esta linha vai do DTE para o DCE e indica que está pronto para enviar ou receber dados.
Indicador de toque (RI): Esta linha era utilizada em ligações de modem mais antigas, mas já não é utilizada.
Terra do sinal: Este é o terra comum para todos os sinais.
A Figura 3 mostra a cablagem do DTE para o DCE. Preste atenção às interligações entre os pinos da linha de controlo. Os sinais nestes pinos respondem uns aos outros num processo chamado controlo de fluxo ou "handshaking".
3. Esta é uma ligação comum entre equipamentos DTE e DCE. Note-se a ligação do cabo de um conetor ao outro.
Embora não faça oficialmente parte da norma RS-232, a maioria dos dispositivos de série que utilizam esta interface também utilizam o que se designa por UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Este CI, normalmente separado dos circuitos de controlo de linha e de receção, implementa um protocolo de comunicação básico que transmite até 8 bits de cada vez. Efectua a conversão série-paralelo e paralelo-para-série, adicionando bits de início e de paragem para indicar o início e o fim da palavra de dados, a deteção de erros de bits de paridade e o estabelecimento da taxa de dados.
Os dados são geralmente caracteres ASCII, mas qualquer palavra de dados de até 8 bits pode ser transferida (Figura 4). As UARTs podem normalmente ser configuradas para lidar com diferentes comprimentos de palavra (5 a 8 bits), adicionar 1, 1,5 ou 2 bits de paragem e incluir bits de paridade ímpares, pares ou inexistentes. Taxas de dados de 75 bit/s a 115,2 kbit/s são opcionais.
RS-485
Também definida pela norma EIA/TIA, esta interface é atualmente designada por TIA-485. Define não só uma única interface dispositivo-a-dispositivo, mas também um bus de comunicações que pode ser utilizado para formar uma rede simples de vários dispositivos. A sua configuração e especificações também alargam o alcance e as taxas de dados para além das capacidades da interface RS-232.
A norma RS-485 especifica a sinalização diferencial em duas linhas, em vez de uma única extremidade com uma tensão de referência para a terra. O nível da lógica 1 é superior a -200 mV, e o nível da lógica 0 é superior a 200 mV. Os níveis típicos de tensão de linha dos drivers de linha variam de um mínimo de ±1,5 V a um máximo de aproximadamente ±6V. A sensibilidade de entrada do recetor é de ±200 mV. O ruído na gama de ±200 mV é essencialmente bloqueado. O formato diferencial produz um cancelamento efetivo do ruído de modo comum.
O meio de transmissão normalizado é o cabo de par entrançado de fio sólido #22 ou #24 AWG. No mínimo, duas linhas, mas pode ser utilizada uma terceira linha de referência. Pode também ser utilizado um cabo de quatro fios se for necessário um funcionamento em full-duplex. Os cabos podem ser blindados ou não blindados, sendo os não blindados os mais comuns. Os cabos são considerados linhas de transmissão. A impedância caraterística nominal é de 100 ou 120Ω. São necessárias resistências de carga de terminação para assegurar condições de linha correspondentes, de modo a evitar que as reflexões introduzam erros nos dados.
A norma não define um conetor específico. Têm sido utilizados vários métodos de ligação, incluindo os conectores RS-232 DE-9. As ligações simples de terminais de parafuso são comuns em alguns tipos de equipamento de controlo industrial.
O comprimento do cabo define a taxa de dados mais elevada. Mas devido aos níveis de tensão lógica mais baixos e às ligações diferenciais, os débitos de dados podem exceder 10 Mbits/s, dependendo do comprimento do cabo. O comprimento máximo do cabo é normalmente definido como 1200 metros ou aproximadamente 4000 pés. A taxa de dados máxima típica a 4000 pés é de 100 kbits/s. Uma orientação geral é que o produto do comprimento da linha em metros e da taxa de dados em bits por segundo não deve exceder 10 8 . Por exemplo, um cabo de 20 metros permite um débito máximo de dados de 5 Mbit/s.
A interface RS-485 pode ser utilizada em modo half-duplex simplex através de um único par de cabos. Podem ser utilizados dois pares de cabos para funcionamento full-duplex ou transmissão e receção simultâneas. Uma configuração comum é uma rede de barramento com múltiplos ramos ou ligações. A norma especifica um máximo de 32 condutores (transmissores) e 32 receptores (Figura 5). Quando não está a transmitir, o condutor de linha está desligado da linha. Todos os receptores estão totalmente ligados e o barramento é terminado com resistências de correspondência de carga.
5. Esta é uma representação de um barramento diferencial TIA-485 típico, mostrando os condutores (D) e receptores (R) individuais, bem como os transceptores. Preste atenção às extremidades dos resistores de terminação do barramento.
A norma ainda não define um protocolo de comunicação específico. Por vezes, é utilizado o protocolo UART normalizado. A maioria das aplicações define protocolos únicos.
Alterações de interface
Na prática, encontram-se ocasionalmente diversas variações destas duas normas. O RS-422 é uma variação do RS-485 com especificações semelhantes, mas foi concebido para ser utilizado apenas com um condutor e um máximo de 10 receptores. Os níveis lógicos variam de ±2 a ±6V . O RS-423 é uma versão de extremidade única e não diferencial do RS-422. De resto, as outras especificações são semelhantes às da interface RS-485.
Áreas de aplicação
Atualmente, a norma TIA-232 tem sido utilizada numa variedade de aplicações de curto alcance com baixo débito de dados. É particularmente eficaz em equipamento utilizado em ambientes ruidosos, como fábricas, instalações de controlo de processos e instalações de serviços públicos. O comprimento do cabo é normalmente inferior a 15 metros. Os dispositivos comuns incluem modems de baixa velocidade, equipamento de controlo industrial, como controladores lógicos programáveis (PLC), máquinas-ferramentas de controlo numérico computorizado (CNC), robôs, computadores de controlo incorporados, instrumentos e equipamento médico e sistemas de desenvolvimento de controladores incorporados.
A interface TIA-485 é também muito utilizada em aplicações industriais que requerem velocidades mais elevadas e distâncias mais longas. É utilizada para dispositivos do mesmo tipo que os definidos pela interface RS-232, bem como para dispositivos como terminais de ponto de venda (POS), instrumentos de medição e grandes máquinas de automação especializadas. As redes definidas por fieldbuses como Profibus e Modbus também a utilizam.
A maioria dos novos dispositivos utiliza a popular interface USB. No entanto, é frequentemente necessário ou desejável converter de uma interface para outra para permitir que dispositivos de diferentes tipos ou idades sejam utilizados em conjunto. Estão disponíveis vários conversores para converter USB para TIA-232 ou TIA -485, TIA-232 para TIA 485 e vice-versa.
resumo
Geralmente, o RS232 é o melhor para requisitos adequados de curta distância e baixa velocidade. É simples e de baixo custo, e a interface pode ser construída utilizando muitos componentes, como controladores e receptores de linha, UARTs e conectores. Alguns controladores permitem débitos de dados até 2 ou 3 Mbit/s em linhas curtas. A maioria dos chips de interface contém um conversor DC-DC de bomba de carga que fornece tensões de alimentação positivas e negativas, permitindo que o CI funcione a partir de uma única alimentação de 3,3V ou 5V.
O RS485 proporciona velocidades mais elevadas em alcances mais longos, ou se forem necessárias capacidades de rede duplex. Da mesma forma, muitos componentes padrão estão disponíveis para criar interfaces. O driver e o recetor do CI podem tolerar mais de 32 interrupções e a taxa de dados pode ser tão alta quanto 40 Mbit / s. Alguns CIs também incluem conversores dc-dc que fornecem tensões de alimentação duplas
Palavras-chave: RS485 para 4G
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