Komunikacja szeregowa #1 – Jak działają standardy komunikacyjne RS-232/422/485?

03.04.2019 How to / Komunikacja przemysłowa

Piotr Gocłowski Były pracownik Elmark Automatyka S.A.

Producent: MOXA

Zakłady przemysłowe

Mimo przejmowania coraz większych obszarów komunikacji przemysłowej przez Ethernet, nadal w wielu branżach i aplikacjach znaleźć można standardy szeregowe, i nic nie wskazuje na to jakoby miały zupełnie zniknąć w niedalekiej przyszłości. Ale czym właściwie są standardy szeregowe? Wpis ten jest wstępem, pierwszą częścią cyklu na temat standardów RS-232/422/485 i sposobach na przedłużanie ich dystansu transmisji, oraz konwersji na inne media.

Standard RS-232 i trochę historii

Standard RS-232C (Recommended Standard 232) po raz pierwszy pojawił się w 1962 roku, głównie w branży telekomunikacyjnej. Porządkował on i standaryzował sposób podłączenia sygnałów pomiędzy urządzeniem DTE (Data Terminal Equipment) np. komputer, oraz DCE (Data circuit-terminating equipment), czyli najczęściej modemów dostępowych do sieci telefonicznej, a później do sieci WAN. Standard ten występuje w wersji synchronicznej który wymaga dodatkowego sygnału zegarowego i asynchronicznej która nie posiada takiego sygnału, a każda wysłana ramka jest synchronizowana na podstawie bitów startu i bitów stopu. Obecnie wersja synchroniczna praktycznie nie występuje w urządzeniach. Standard ten definiuje min. poziomy elektryczne, charakterystyki czasowe sygnałów, wtyczki, przewody i nazwy sygnałów. Warto też dodać że RS-232 umożliwia połączenie maks. 2 urządzeń.

Na pewnym etapie interfejs RS-232 był na wyposażeniu niemal każdego komputera PC, i można było za jego pomocą podłączyć wiele urządzeń takich jak myszy komputerowe, klawiatury, drukarki, UPSy, karty pomiarowe i wiele innych. Jednak w 1996 roku pojawił się standard pod wieloma względami lepszy od RS-232, a był to USB. Większa szybkość, możliwość rozgałęzienia na wiele portów, brak potrzeby konfiguracji parametrów transmisji, mniejsze złącze, te wszystkie cechy sprawiły że RS-232 został stopniowo wyparty z większości zastosowań konsumenckich, ostatnią ostoją tego standardu zostały urządzenia specjalistyczne, klasy przemysłowej, a także interfejsy komunikacyjne wbudowane bezpośrednio na płytkach drukowanych.

Jak połączyć RS-232?

Pierwszą domyślną wtyczką dla RS-232 była DB25, a obecnie najbardziej popularną jest DB9F. Obecnie często się też zdarza że producenci używają innych złączy, np. RJ45, albo terminali śrubowych, które nie są zdefiniowane w standardzie. Ponieważ standard ten definiuje 2 typy urządzeń - DTE i DCE, to z tego faktu wynika że istnieją 3 warianty połączeń:

DTE (PC) – DCE (Modem) – kabel prosty DB9M-DB9F (lustrzane odbicie wtyczek):

DTE (PC) – DTE (PC) – kabel krosowy, DB9F-DB9F, null modem:

RS-232 DTE-DTE kabel krosowy null modem połączenie

DCE (Modem) – DCE (Modem) -kabel krosowy, złącza DB9M-DB9F

RS-232 DCE-DCE kabel krosowy null modem połączenie

Czasami w celach diagnostycznych zachodzi potrzeba aby sprawdzić czy dane z portu „wychodzą”, można wtedy użyć poniższego schematu zapętlenia RS-232:

Standard RS-232 występuje w kilku wariantach połączeniowych:

w najbardziej podstawowej wersji wymagane są tylko 3 sygnały, a konkretnie Tx, Rx i GND.
W bardziej złożonej 5 sygnałów, ponieważ dochodzą dodatkowe 2 sygnały do kontroli przepływu (flow control), sygnały RTS i CTS.
Lub również 5 sygnałów z kontrolą przepływu na sygnałach DTR i DSR:

Parametry RS-232

Obecnie już bardzo rzadko spotkać można urządzenia z sygnałami kontroli przepływu, najczęściej dostępne są w urządzeniach tylko 3 sygnały (Tx, Rx, GND). W przypadku urządzeń firmy Moxa, w razie błędnego podłączenia pinów Tx,Rx zazwyczaj objawi się to poprzez świecącą diodę światłem ciągłym (bez transmisji danych). Więcej na temat typowych problemów w konfiguracji Nportów w innym wpisie:

http://moxa.elmark.com.pl/2018/10/05/nport-faq-czyli-najczesciej-zadawane-pytania-na-temat-serwerow-portow-szeregowych-moxy/

Poziomy napięć RS-232 są zdefiniowane w standardzie i muszą mieścić się w zakresie -3 do -25 V dla stanu wysokiego („1”), lub od 3 do 25 V dla stanu niskiego („0”). Zazwyczaj poziomy napięć mieszczą się w mniejszym zakresie, który zależy od napięcia którym są zasilane. Najprostsze implementacje RS-232 (najczęściej w mikrokontrolerach) posiadają poziomy napięć zgodne z techniką TTL.

Kolejnym aspektem RS-232 są parametry transmisji które nie są negocjowane przez uczestników transmisji a ustawiane ręcznie przez użytkowników. Najważniejszym parametrem jest Baudrate czyli szybkość transmisji, i odpowiada on szybkości w bitach na sekundę. Baudrate mieści się w zakresie od 50 bps, do 921600 bps.

Kolejne parametry wynikają już z budowy ramki RS-232, a są to

bity danych: 5,6,7,8

Parzystość: brak, parzysta, nieparzysta, stan wysoki, stan niski

Bity stopu: 1 lub 2

Zalety RS-232:

Bardzo prosta budowa standardu, dzięki czemu jest on prosty i tani w zaimplementowaniu, nawet w najprostszych mikrokontrolerach

Wady RS-232

Niesymetryczność transmisji standardu, sprawia że jest on silnie podatny na zakłócenia E-M
Stosunkowo mały maks. dystans transmisji wynoszący około 15m (odległość ta zależy od wielu czynników)
Możliwość komunikacji punkt-punkt, czyli tylko dla 2 urządzeń.
Problematyczność podłączenia ze względu na to że wielu producentów nie zachowuje zgodności złącza z typem DTE/DCE.
Funkcjonują różne wersje RS232, zawierające kontrolę przepływu lub nie, co utrudnia ustanowienie połączenia
Ręczna konfiguracja interfejsu szeregowego utrudnia pierwsze podłączenie urządzenia
Wspólna masa sygnałowa sprawia że istnieje większe ryzyko uszkodzenia portu, w skutek różnicy potencjału mas.
Brak możliwości zasilania urządzeń

Jak widać RS-232 posiada szereg wad, dlatego dzisiaj jest już używany w wąskiej dziedzinie zastosowań, ale dzięki swojej prostocie jest często używany jako interfejs monitorujący, konfiguracyjny itp. w wielu różnych urządzeniach. Z RS-232 powiązanych jest więcej standardów szeregowych, w których zostały poprawione niektóre wady, w dalszej części wpisu opiszę kolejny popularny którym jest...

RS-485

A właściwie TIA-485 (od Telecommunications Industry Association), to standard szeregowy który wyewoluował z RS-232, i poprawia jego wiele wad, zachowując jednocześnie podobieństwa. RS-485 opisuje charakterystykę elektryczną nadajnika, odbiornika i magistrali, czyli tak naprawdę tylko warstwę elektryczną. Podobnie jak RS-232 nie definiuje on protokołu komunikacyjnego, dlatego jest on używany przez wiele protokołów, takich jak Modbus RTU, Profibus DP (nieco zmieniona forma), DNP3, BACnet i wiele innych. Jeśli chodzi warstwę fizyczną to RS-485 używa transmisji przez skrętkę (najlepiej ekranowaną), w której sygnał jest różnicowy, dzięki czemu jest mało podatny na zakłócenia E-M. Sygnał różnicowy jest przesyłany w taki sposób że:

A – stan niski dla logicznej 1, i wysoki dla logicznego 0
B – stan wysoki dla logicznej 1, i niski dla logicznego 0

Dlatego gdy pojawią się zakłócenia E-M na linii przesyłowej, to pojawią się one na obu żyłach w tym samym czasie, a odbiornik RS-485 po operacji odejmowania, jeśli różnica napięcia Va-Vb > 200 mV to wtedy odbiornik interpretuje to jako logiczna 1. Jeśli natomiast napięcie na przewodzie B będzie bardziej pozytywne to wtedy odbiornik uzna że odebrał 0 logiczne: Vb-Va >200 mV. Warto wspomnieć że producenci urządzeń z RS-485 korzystają z różnych oznaczeń, poniżej najczęściej używane oznaczenia:

Sygnał odwrócony = A = (-) = D- = TxD-/RxD-

Sygnał nie odwrócony = B = (+) = D+ = TxD+/TxD-

Jednak niektórzy producenci stosują odwrotne oznaczanie, czyli że A = D-, B=D+, na szczęście jest to mniejszość.

Standard RS-485 występuje głównie w 2 wariantach, w wersji 2 przewodowej i 4 przewodowej. Najbardziej popularna jest wersja 2 przewodowa w której komunikacja jest typu „half duplex”, czyli dane w określonym czasie mogą być przesyłane tylko w jedną stronę. Z kolei wersja 4 przewodowa to tak naprawdę połączenie 2 magistrali 2 przewodowych, komunikacja jest typu „full duplex” czyli dane mogą przepływać w obie strony w tym samym czasie.

Standard RS-485 może teoretycznie pracować w topologii punkt-punkt, magistrali, gwiazdy czy pierścienia. Jednak ze względy na odbicia sygnału najbardziej zalecane są połączenia typu punkt-punkt i magistrala. Z użyciem repeaterów, które rozbijają takie sieci na segmenty można również budować topologie gwiazdy i pierścienia. Przykładowy model takiego repeatera to TCC-120 firmy Moxa. Zakłada się że w praktyce da się osiągnąć maks. dystans transmisji na poziomie 1200 m przy prędkości 115200 bps, poniżej wykres zasięg vs baudrate:

Maksymalna liczba urządzeń na magistrali RS-485 to 32, a ograniczeniem jest tu wydajność prądowa nadajników. Ze względu na transmisję half duplex (RS-485-2W) możliwa ilość przesyłanych danych jest nieco ograniczona. W przypadku protokołu Modbus RTU, jeśli ilość danych odczytywanych z pojedynczego urządzenia jest duża, np. 50 rejestrów, to w praktyce maks. liczba podłączonych slave, będzie mniejsza.

W porównaniu do RS-232 interfejs ten ma następujące cechy:

Zalety:

Duży maks. dystans transmisji
Wysoka odporność na zakłócenia E-M dzięki transmisji różnicowej
Niski koszt okablowania
Prostota

Wady:

Dosyć niska przepustowość szczególnie w przypadku dużej liczby urządzeń na magistrali i wymienianych rejestrów

RS-422

Znany również jako TIA/EIA-422, to standard komunikacji szeregowej, który opisuje charakterystykę elektryczną transmisji. Standard ten bazuje tak samo jak RS-485 na transmisji różnicowej, maksymalna teoretyczna prędkość to 10Mbps (do 12 metrów), a maks. długość przewodów to 1200 m.

RS-422 definiuje tak naprawdę tylko poziomy sygnałów, inne właściwości takie jak złącza, czy numeracja sygnałów są opisywane w innych standardach. Złącza tego standardu najczęściej można spotkać w postaci DB9, lub terminali śrubowych.

RS-422 VS RS-485

Różnicami pomiędzy tymi standardami to kierunek transmisji oraz ilości nadajników i odbiorników na magistrali. Początkowo RS-422 miał transmisje typu „simplex multidrop” – co to właściwie oznacza? Na magistrali mógł być tylko jeden nadajnik (driver) i do 10 odbiorników, czyli komunikacja była jednostronna.

Jednak obecnie niemal każdy driver RS-422 wspiera 2 kierunkową transmisję danych z użyciem 2 par skrętki (tak samo jak RS-485 4 przewodowy), ale z ograniczeniem do 10 urządzeń na magistrali, układ połączeń również jest taki sam.

W ofercie firmy Moxa każde urządzenie z RS-422 posiada komunikacje 4 przewodową, więc jest to uniwersalne rozwiązanie ponieważ można podłączyć zarówno urządzenia które są w stanie tylko odbierać dane (1 para przewodów, simplex) jak i urządzenia z odbiorem i nadawaniem (2 pary, full duplex). Na przykład Nport 5150.

Co do łączenia sygnałów i ich nazewnictwa to jest ono identyczne jak przypadku RS-485 4 przewodowego.

Podsumowanie

W przemyśle i nie tylko spośród opisanych standardów szeregowych najczęściej używany jest RS-485, ze względu na swoje zalety, pozostałe również znajdziemy w wielu prostych i bardziej skomplikowanych urządzeniach. Poniżej tabelka z porównaniem najważniejszych parametrów opisywanych standardów:

	RS-232	RS-422	RS-485-2wire
Schemat komunikacji	Punkt-Punkt (single ended)	Punkt-punkt, 1 do wielu(single ended, multidrop)	1 do wielu (multidrop)
Liczba urządzeń	1 nadawca, 1 odbiorca	1 nadawca, 10 odbiorców	32 nadawców, 32 odbiorców
Typ komunikacji	W obie strony w tym samym czasie (Full duplex)	Tylko w jedną stronę, w obie strony w tym samym czasie(Simplex, full duplex)	W jedną stronę w tym samym czasie (half duplex)
Maks. dystans transmisji	Około 15 m@115 kbps kbps	Około 1200 m@115 kbps*	Około 1200 m@115 kbps*
Maks. szybkość transmisji	1 Mbps	10 Mbps @15 m*	10 Mbps @ 15 m*
Typ transmisji	niesymetryczna	symetryczna	symetryczna
Stan wysoki	Min. -5 V Max. -15 V	Min. 2 V (B>A), max. 6 V (B>A)	Max. 1,5 V (B>A)
Stan niski	Min. 5 V Max. 15 V	Min. 2 V (A>B), max. 6 V (A>B)	Max. 1,5 V (A>B)
Min. poziom napięcia	+/- 3 V	Różnica 0,2 V	Różnica 0,2 V

* Maksymalny dystans oraz szybkość transmisji zależą od wielu czynników. Obecnie dostępne są transreceivery które obciążają w bardzo małym stopniu magistralę (nawet 1/8 standardowego obciążenia), dzięki czemu umożliwiają transmisję z większą szybkością i na dalszą odległość.

Jest to pierwsza część i wstęp do cyklu „Komunikacja Szeregowa”, zapraszam do lektury kolejnych części w których opiszę jak można integrować urządzenia z interfejsami szeregowymi z sieciami Ethernet, a także jak radzić sobie z ich ograniczeniami i rozwiązywać typowe problemy, zapraszam do lektury.

Źródła:

RS-232:

https://en.wikipedia.org/wiki/RS-232

RS-422"

https://en.wikipedia.org/wiki/RS-422

TTL:

https://pl.wikipedia.org/wiki/Transistor-transistor_logic

Nota aplikacyjna Dallas Semiconductor:

http://ecee.colorado.edu/~mcclurel/dan83.pd

RS-485/RS-422 Circuit Implementation Guide:

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-960.pdf?doc=an-1177.pdf

How Far and How Fast Can You Go with RS-485?