Interfaces e Periféricos 22 CAPÍTULO 3 Interfaces Seriais RS-232 e RS-485 A Porta serial RS-232 Com o passar dos anos, a porta de comunicação serial RS-232 veio sendo gradualmente suprimida pela USB para comunicação local. A porta USB é mais rápida, possui conectores mais simples de usar e tem um melhor suporte por software. Por isso, muitas placas mãe, destinadas ao uso em escritórios ditas "livre de legados" (legacy-free) são produzidas sem circuitos RS-232. Mesmo assim, esse protocolo continua sendo utilizado em periféricos para pontos de venda (caixas registradoras, leitores de códigos de barra ou fita magnética) e para a área industrial. Por essas razões, computadores para estes fins continuam sendo produzidos com portas RS-232. Como alternativa, existem conversores para portas USB, que podem ser utilizados para conectar periféricos RS-232 a computadores que não dispõem de tal interface. No que tange a sistemas embarcados e microcontrolados a porta serial RS-323 continua sendo bastante utilizada, principalmente pela sua simplicidade, tanto de hardware quanto de software. No protocolo padrão de comunicação via RS-232, caracteres são enviados um a um como um conjunto de bits. A codificação mais comumente usada é o "start-stop assíncrono" que usa um bit de início, seguido por sete ou oito bits de dados, possivelmente um bit de paridade, e um ou dois bits de paragem sendo então necessários pelo menos 10 bits para enviar um único caractere. O padrão define os níveis elétricos correspondentes aos níveis lógicos um e zero, as velocidades de transmissão padrão e os tipos de conectores. Conector DB-9 fêmea (nove pinos)
Interfaces e Periféricos 23 O RS-232 é recomendado para conexões curtas (quinze metros ou menos). Os sinais variam de 3 a 15 volts positivos ou negativos, valores próximos de zero não são sinais válidos. O nível lógico um é definido por ser voltagem negativa, a condição de sinal é chamada marca e tem significado funcional de ON (ligado). O nível lógico zero é positivo, a condição de sinal é espaço, e a função é OFF (desligado). Voltagens de +-10, +- 12 e +-15 são vistos comumente. Esse é um dos principais motivos pelo qual devemos utilizar um conversor (MAX232 por exemplo) para ligação de uma porta serial RS-232 a uma porta serial TTL (0 e 5V). As voltagens na serial RS-232 possuem o terra (GND) como referência, uma vez que a RS-232 não é balanceada. O uso de circuitos desbalanceados deixa o RS-232 altamente suscetível a problemas devido a diferenças de potencial entre os sinais de terra dos dois circuitos. Uma das primeiras aplicações para a porta serial foi a utilização para comunicação do computador com MODEMS, assim, a pinagem de um conector DB-9 herda a nomenclatura utilizada nos sinais de comunicação utilizado para MODEMS. Para uma interface mínima (essa ainda muito utilizada) utiliza somente os pinos TX, RX e GND para comunicação com dispositivos. Observe a pinagem abaixo: 1. DCD Data Carrier Detect Detecção de portadora 2. RX ou RD Receive Data Recepção de dados 3. TX ou TD Transmit Data Transmissão de dados 4. DTR Data Terminal Ready Terminal de dados pronto 5. GND Ground Terra 6. DSR Data Set Ready Conjunto de dados pronto 7. RTS Request to Send Pronto para enviar(computador) 8. CTS Clear to Send Envie os dados (modem) 9. RI Ring Indicator Indicador de telefone tocando
Configurações da RS-232 Interfaces e Periféricos 24 Há várias configurações de software para conexões seriais. As configurações mais comuns dizem respeito à velocidade e bits de paridade e parada. A velocidade é a quantidade de bits por segundo transmitida de um dispositivo para outro. Taxas comuns de transmissão são 300bps, 1200bps, 2400bps, 9600bps, 19200bps, etc. Tipicamente, ambos os dispositivos devem estar configurados com a mesma velocidade, alguns dispositivos, porém, podem ser configurados para auto-detectar a velocidade. A paridade é um método de detectar erros nos dados transmitidos. A paridade é normalmente nula (não usada), mas pode ser par ou ímpar. A paridade funciona modificando os dados, em cada byte enviado. Na paridade par, os dados são acomodados de modo que a quantidade de bits 1 (isto é, sua contagem em um byte) seja um número par; isto é feito definindo o bit de paridade (geralmente os bits mais ou menos significativo) como 0 ou 1. Na paridade ímpar, a quantidade de bits 1 deve ser um número impar. A paridade pode ser usada pelo receptor para detectar a existência de erros de transmissão - se um byte foi recebido com o número errado de bits 1, então ele deve estar corrompido. Se a paridade está correta então não deve haver erros, ou então há um número par de erros (caso de paridade par). Bits de parada são enviados no fim de cada byte transmitido com o intuito de permitir que o receptor do sinal se sincronize. Existe uma convenção para a notação se uma configuração de software de uma conexão serial, esta notação é da forma D/P/S. Sendo que a configuração mais comum é a 8/N/1 que especifica que são transmitidos 8 bits de dados, paridade nula e um bit de parada. O número de bits de dados pode ser 7, 8 ou (às vezes) 9. Paridade pode ser nula (N), impar (O) ou par (E); o bit de paridade é emprestado dos bits de dados, então 8/E/1 significa que um dos oito bits de dados é utilizado como bit de paridade. Podem haver 1 ou 2 bits de parada. Outras configurações especiais definem quando pinos enviam sinais de "handshake", ou outras checagens de integridade dos dados. Combinações comuns são RTS/CTS, DTR/DSR, ou XON/XOFF (que não usam pinos no conector, mas caracteres especiais no fluxo dos dados). O caractere XON diz ao receptor que o remetente do caractere está pronto para receber mais dados. O caractere XOFF diz ao receptor para parar de enviar caracteres. O XON/XOFF está em desuso, e é preferível que se utilize o controle de fluxo RTS/CTS se os dispositivos conectados utizam realmente as linhas de RTS/CTS. Para finalizar, mostramos como uma interface serial RS-232 pode ser ligada a um dispositivo que utilize sinais TTL (0 e 5V), tal como um microcontrolador. Observe a utilização do integrado MAX232 para compatibilizar os níveis elétricos da RS-232 com os níveis TTL que estarão disponíveis em TX e RX do lado esquerdo da figura.
Interfaces e Periféricos 25 A Porta serial RS-485 Se uma aplicação consiste de vários dispositivos em lugares diferentes, ou se um sistema é composto de diversas unidades, cada uma com determinada função, certamente um meio de comunicação entre eles se faz necessário. Apesar da RS-232 e a USB serem as interfaces mais comumente utilizadas para comunicação serial, elas têm suas limitações, principalmente no que diz respeito às distâncias envolvidas. O padrão RS-485, criado em 1983, é capaz de prover uma forma bastante robusta de comunicação multiponto que vem sendo muito utilizada na indústria em controle de sistemas. Na RS-232, os sinais são representados por níveis de tensão referentes ao terra. De forma mais simples, há um fio para transmissão, outro para recepção e o fio terra para referência dos níveis de tensão. Este tipo de interface é útil em comunicações ponto-a-ponto a baixas velocidades de transmissão. Visto a necessidade de um terra comum entre os dispositivos, há limitações do comprimento do cabo a apenas algumas dezenas de metros. Os principais problemas são a interferência e a resistência do cabo. Já o padrão RS- 485 utiliza um princípio diferente, no qual apenas dois fios são utilizados, que serão chamados de A e B de agora em diante. Nesse caso tem-se nível lógico 1 quando, por exemplo A for positivo e B negativo, consequentemente tem-se nível lógico 0 quando B for positivo e A negativo. Verifica-se que o nível lógico é determinado pela diferença de tensão entre os fios, daí o nome de modo de operação diferencial (ou balanceado). Umas das vantagens da transmissão balanceada é sua robustez à ruídos e interferências. Se um ruído é introduzido na linha, ele é induzido nos dois fios de modo que a diferença entre A e B dessa interferência tende a ser quase nula, com isso o alcance pode chegar a aproximadamente 1200 metros. Vale citar que o padrão RS-232 em sua taxa máxima de comunicação alcança aproximadamente 15 metros. Outra diferença notável do RS-485 em relação ao RS-232 é a comunicação multiponto. No RS-232 só é possível a comunicação entre dois dispositivos. Como o padrão RS-485 foi desenvolvido para atender a necessidade de comunicação multiponto, o seu esquema padrão permite conectar até 32 dispositivos. Circuitos integrados mais modernos para RS-485 permitem a ligação de até 256 dispositivos ao barramento.
Interfaces e Periféricos 26 O padrão RS-485 (EIA-485) recomenda o uso de cabo de par trançado para transmissão dos dados, uma vez que se usa uma transmissão balanceada. Blindagem é desejável nos cabos. Além disso, apesar de não ser necessário o padrão recomenda também o uso de uma linha de terra (totalizando três fios), principalmente se grandes distâncias estão em jogo. Vale lembrar que o padrão RS-485 não define e nem recomenda nenhum protocolo de comunicação. Na indústria são utilizados protocolos proprietários e protocolos abertos, tal como o MODBUS. Outra grande vantagem do padrão RS-485 é a facilidade de conversão do padrão RS-232 ao RS-485, simplesmente utilizando um CI, com isso tem-se que a compatibilidade com dispositivos já existentes no mercado é mantida, visto que a maioria dos computadores já possui saída RS-232. Como estamos fazendo comparações com o padrão RS-232, convém sumarizarmos estas em uma tabela para melhor análise. Em relação ao número de mestres e escravos convém esclarecer que conversores RS- 485 atuais podem suportar mais de 32 dispositivos (mestres/escravos) no barramento. Característica RS-232 RS-485 Diferencial/Balanceada Não Sim Número de controladores (mestres) 1 31 Número de receptores (escravos) 1 31 Modo de operação half ou full-duplex half-duplex Topologia ponto a ponto Multiponto (barra) Distância máxima (standard) 15m 1200m Taxa máxima a 12m 20kbps 35Mbps Taxa máxima a 1200m --- 100kbps Topologia de uma rede RS485 Utiliza-se a topologia em barra, onde todos os dispositivos estão conectados de forma paralela ao barramento, podendo, em teoria, funcionarem como mestres ou escravos (multiponto). Em geral, mesmo tendo a capacidade de ser multiponto temos apenas um mestre (multidrop), para evitar problemas de colisões, que deveriam ser solucionados pelo protocolo utilizado, tornando o desenvolvimento (a nível de software) mais complexo.
Interfaces e Periféricos 27 Um barramento RS485 com um controlador mestre e três escravos Quando todos os dispositivos estão em modo de recepção, o nível lógico do barramento pode ficar indefinido, assim adicionam-se resistores de pull-up no pino A e pull-down no pino B (resistores de 470R na figura). Outro problema que ocorre é a reflexão do sinal, este problema pode ser evitado colocando-se dois resistores terminadores de igual valor entre as linhas A e B (resistores de 120R na figura), observe que estes terminadores são colocados nas duas pontas do barramento. Muitas placas possuem um jumper para permitir a ativação destes resistores de forma facilitada. Funcionamento do transceiver (transmissor/receptor) 485: Para adaptação dos sinais elétricos RS-485 de forma balanceada para níveis TTL são utilizados transceptores 485, tal como o MAX-485, de forma geral, todos integrados transceptores 485 de 8 pinos possuem a mesma pinagem:
Interfaces e Periféricos 28 1. RO Saída para recepção 5. GND Alimentação negativa 2. RE habilitação da recepção 6. A Entrada não inversora 3. DE habilitação da transmissão 7. B Entrada inversora 4. DI Entrada para transmissão 8. VCC Alimentação positiva Normalmente conecta-se juntos os pinos RE e DE de forma que o transceptor esteja apenas recebendo ou transmitindo. Para que um dispositivo transmita um dado pelo barramento, é necessário ativar o pino DE, fazendo com que RE seja desabilitado, para então transmitir a informação necessária pelo pino DI, e ao fim da transmissão, desabilitar DE reabilitando RE, de forma que o transceptor volte ao modo de recepção. O CI deve sempre permanecer em modo de recepção. Interligação de um transceiver MAX485 a um microcontrolador Obs.: Para simplificar, na figura foi omitida a alimentação do transceiver, pino 8 (Vcc) e pino 5 (GND), além disso o resistor terminador, bem como os resistores polarizadores foram omitidos. Funcionamento Mestre-Escravo É o tipo de aplicação onde um dispositivo central comanda os demais dispositivos. Os dispositivos escravos recebem um endereço e apenas respondem ao mestre quando são chamados. Tem-se assim uma forma de evitar colisões de dados na rede, visto que apenas o mestre ou o escravo estão transmitindo. Um exemplo de aplicação desse sistema está nas linhas de produção das indústrias, onde um computador central comanda várias máquinas (CNC, máquina de comando numérico). Linha de produção com funcionamento mestre/escravo