Padrões de Comunicação Serial

Padrões de Comunicação Serial Organizações de Padronização ISO: International Standards Organization ITU-T: International Telecommunications Union IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineers IEC: RS: International Electrotechnical Comission Electronic Industries Association ANSI: American National Standards Institute TIA: Telecommunications Industries Association 1. Há sete organizações mundiais ao redor do mundo envolvidas em especificar padrões e recomendações que afetam as comunicações de dados. 2. A ISO reúne membros de todos os países do mundo e concentra a coordenação da padronização internacionalmente. 3. A ANSI é a principal entidade de padronização dos EUA e é o braço da ISO naquele país. Ela é não governamental e é mantida por mais de 1000 organizações de comercio, associações profissionais e companhias. 4. A ITU é uma agencia especialista da ONU. Ela consiste em representações de organizações ligadas a equipamentos e serviços de telecomunicações, telégrafos e correio. Os seus padrões são conhecidos como ITU-T V.xx. 5. A RS é uma organização voluntária de padronização dos EUA especializada nas características elétricas e funcionais de equipamentos de interface. Desde 1998 a RS e TIA se fundiram. A TIA representa o setor de telecomunicações da RS. 6. A IEC é um órgão de padronização internacional afiliada a ISO. Concentrada em padronização do setor elétrico, ela é seguida na Europa e na maioria dos países ocidentais, inclusive no Brasil, mas enfrenta resistências nos EUA e seus seguidores. 7. A IEEE é uma sociedade profissional dos engenheiros elétricos nos EUA e emite seus próprios padrões, normas e práticas profissionais. 1

Padrões de Comunicação Serial Um padrão de interface de comunicação serial define os detalhes elétricos e mecânicos que permitem que equipamentos de diferentes tipos e fabricantes sejam conectados e habilitados a trocarem dados entre si. Viabiliza a conexão entre dispositivos como PCs, CLPs, IHMs, rádios-modens, transdutores, transmissores e atuadores como inversores, soft-start e válvulas. Configuração, manutenção e comunicação de dados. 1. As interfaces de comunicação serial estão presentes em quase todos os equipamentos microprocessados, sejam de aplicação industrial ou não. 2. Em equipamentos como controladores lógicos programáveis, interfaces homem máquina, microcontroladores, modems e outros, somos obrigados a usar esta interface no momento da configuração inicial, eventual programação, manutenção e transferência de dados. 2

Padrões de Comunicação Serial RS 232 (EIA-232X) Criada na década de 60, já com várias revisões, para comunicação entre computadores e modens. Velocidades baixas (19,2kbps) e distâncias curtas (15m) entre dois dispositivos. RS 485 (EIA-485) Velocidades altas (10Mbps) e ligações longas (1,2km) entre dois ou mais dispositivos. Outros RS 422 / RS 449 / RS 530 / RS - 562 1. O padrão RS-232 foi bastante difundido após seu uso para comunicação dos computadores padrão PC com seus periféricos. 2. Já em ambientes industriais, o padrão RS-485 tem sido mais utilizado por possibilitar a ligação de mais dispositivos, a maiores taxas de transmissão de dados e maiores distâncias. 3. O padrão RS-422 é semelhante ao RS-485 mas com limitação no número de dispositivos. 4. O RS-449 foi lançado em 1977 como um sucessor do RS-232 com maior velocidade e distancia, além de maiores opções para testes de modens. Contudo não conseguiu superar a popularidade do RS-232. 5. O RS-530 foi lançado em 1992, como uma opção aos usuários do RS- 422 e RS-485. 6. O RS-562 foi lançado em 1992, como uma opção ao RS-232 adequada a tecnologia dos chips que utilizam 3,3V, habilitando os sistemas a terem maiores velocidades, baixo consumo de energia e menor tamanho. 3

Tipos de Linhas de Transmissão Transmissão desbalanceada Transmissão balanceada (Maior imunidade ao ruído) 1. A escolha entre linhas de transmissão balanceada e desbalanceada é uma consideração importante quando selecionando um sistema de comunicação de dados. 2. Em sistemas desbalanceados, o sinal de referência é simultaneamente compartilhado por vários sinais e outros circuitos eletrônicos. O sinal transmitido é a tensão entre o condutor de sinal e o condutor de referência, ou terra. 3. Na prática sistemas desbalanceados somente funcionam sobre enlaces de comunicação curtos como os usados em RS-232 e RS-423. 4. O problema dos sistemas desbalanceados é que o condutor comum pode capturar ruídos excessivos e não ter o mesmo potencial em todos os pontos do circuito. 5. Interfaces de comunicação balanceadas necessitam de dois condutores para transmitir cada sinal. A tensão no receptor é medida como tensão diferencial (V A -V B ) entre estes dois fios. 6. Estas linhas permitem maiores taxas de transmissão sobre maiores distâncias. Este método de transferir dados é o preferido em aplicações industriais onde o ruído pode ser o maior problema. A desvantagem é que um sistema balanceado necessita de dois condutores para cada sinal. 7. A transferência com sucesso de sinais de tensão sobre dois condutores na presença de ruídos e quedas de tensão é baseado na assunção que os condutores tem características similares e serão afetados igualmente. Não significa que o ruído não exista nestes sistemas, e sim que as tensões subirão e descerão igualmente nos dois condutores, mantendo a mesma diferença. 4

Transmissão Desbalanceada 5

Transmissão Balanceada 1. A tensão entre o condutor de sinal e o sinal comum é chamada de tensão de modo comum (CMV A e CMV B ). 2. O CMV é a indicação da tensão induzida ou ruído na linha de comunicação. Idealmente as CMV nos dois fios se cancelarão completamente 6

RS/TIA-232 (V.24) Este padrão especifica o método de conexão de dois dispositivos: DTE e DCE. DTE refere-se ao equipamento terminal de dados, por exemplo, um computador. DCE refere-se ao equipamento de comunicação de dados como um modem. Um DTE comunica-se com um DCE. Um DCE recebe dados de um DCE e os retransmite a outro DCE via um enlace de comunicação de dados como uma linha telefônica ou rádio. 1. A aplicação original do padrão RS-232 é para a comunicação de um computador (DTE) com um modem (DCE). 2. Hoje o RS-232 é usado para vários tipos de comunicação envolvendo dois dispositivos. 7

RS/TIA-232 (V.24) Linhas RS-232 Linha Telefônica ou Radio 1. O RS-232 está presente somente entre o DTE e DCE. 2. Entre os DCEs outras especificações são usadas. 8

RS/TIA-232 (V.24) Consiste de três partes principais Características elétricas dos sinais Aspectos mecânicos como pinagem e conectores. Os nomes e funções de cada sinal usado no enlace. 9

Sinais do RS-232 22 Sinais Linhas de Dados Linhas de Controle Linhas de Temporização Funções especiais secundárias DATA Signal Common Transmitted Data (TD) Received Data (RD) CONTROL Request to Send (RTS) Clear to Send (CTS) DCE Ready (DSR) DTE Ready (DTR) Ring Indicator (RI) Received Line Signal Detector** (DCD) Signal Quality Detector Data Signal Rate Detector from DTE Data Signal Rate Detector from DCE Ready for Receiving Remote Loopback Local Loopback Test Mode TIMING Transmitter Signal Element Timing from DTE To DCE Transmitter Signal Element Timing from DCE Receiver Signal Element Timing DATA Secondary Transmitted Data Secondary Received Data CONTROL Secondary Request to Send Secondary Clear to Send Secondary Received Line Signal Detector To DCE To DCE To DCE To DCE To DCE To DCE To DCE To DCE To DCE To DCE 10

Conectores e Pinagem do RS-232 Principais Conectores: ALT-A, DB25, DB9, RJ45 e Mini-DIN. Há diferenças entre as pinagens do DTE e DCE. 1. O conector DB-25 não foi especificado pelo RS-232, mas tornou-se um padrão de fato. 2. A revisão E do padrão apresentou um conector de 26 pinos, chamado de ALT-A como opção ao DB-25. Ele é menor satisfazendo a demanda por conectores adequados aos modernos computadores. 3. Em equipamentos onde não há a necessidade dos sinais de controle ou da totalidade deles, o conector DB-9 é utilizado. 4. A utilização do DB-9 surgiu quando a IBM decidiu fazer um adaptador combinado serial paralelo para o computador pessoal AT. Um pequeno conector foi necessário para permitir que duas interfaces coubessem em um cartão de interface padrão ISA. 5. Após isto o conector DB-9 passou a ser utilizado para evitar o desperdício de pinos quando as aplicações só necessitam dos sinais de dados. 6. A alocação da pinagem é diferente no DB9 e DB25 e nos DTE s e DCE s. 11

Controle de Fluxo (Handshaking) Hardware Usando os sinais de controle: RTS/CTS, DSR/DTR. Software Usando caracteres ASCII especiais XON e XOFF. 1. O controle de fluxo entre o DTE e o DCE ou entre DTE s pode ser feito utilizando os sinais de controle (HARDWARE) ou através da transmissão de sinais especiais de controle (XON/XOFF). 2. O controle de fluxo por hardware é a causa de muitos problemas de interface. Fabricantes algumas vezes omitem linhas de controle de seus equipamentos ou designam aplicações não usuais para elas. 3. O controle de fluxo via software é usado quando somente as linhas de dados estão presentes. Este controle é parte do aplicativo que está utilizando a porta de comunicação. 4. O protocolo de controle de fluxo baseado nos caracteres especiais XON e XOFF funciona da seguinte forma: o transmissor envia dados até que ele receba do receptor um caractere XOFF; quando isto acontece ele pára a transmissão até que um caractere XON seja recebido, permitindo a retomada da transmissão. 12

Controle de Fluxo por Hardware Sinais DTR/DSR O DTE ativa o DTR para sinalizar a sua energização e solicita uma resposta do estado do DCE. O DCE ativa o DSR para sinalizar a sua energização e/ou que uma linha está conectada. Sinais RTS/CTS Informa sobre as condições dos dispositivos para transmitir e receber dados O DTE ativa o RTS quando tem dado para enviar. O DCE ativa o CTS em resposta quando está pronto para receber dados. 13

Controle de Fluxo por Hardware Sinais RI/DCD RI é ativado quando o modem detecta uma chamada na linha telefônica. DCD é ativado quando uma conexão foi estabelecida entre dois modens e uma portadora foi detectada. 14

Características Elétricas do RS-232 Transmissor Receptor Linhas de Dados 1. Em eletrônica digital estamos acostumados a usar a tensão de +5 volts para representar o nível lógico ALTO e zero volts para o nível lógico BAIXO. 2. No padrão RS-232 temos níveis de tensão totalmente diferentes para os dados que trafegam nos terminais TD e RD. 3. O nível lógico ALTO ou MARK é produzido com tensões entre -5 e - 25 volts. No receptor, tensões entre -3 e -25 volts são entendidas como nível lógico ALTO. 4. O nível lógico BAIXO ou SPACE é produzido com tensões entre +5 e +25 volts. No receptor, tensões entre +3 e +25 volts são entendidas como nível lógico ALTO. 5. Sinais entre a região de 3 e +3 volts são indefinidos e levam a perda de dados, portanto há uma margem mínima de ruído de 2 volts entre os transmissores e receptores. 6. As tensões dos terminais TD e RD são medidas em relação ao terminal de referência ou terra (ground). Este topologia é chamada de linhas DESBALANCEADAS. 7. Com linhas longas os sinais de tensão são deteriorados. O padrão assegura o seu funcionamento até distâncias de 15 metros, contudo um cálculo preciso deve levar em consideração a capacitância mútua do cabo utilizado. 15

Características Elétricas do RS-232 Transmissor Receptor Linhas de Controle 1. As linhas de controle utilizam as mesmas faixas de tensão, contudo não há a inversão, ou seja, tensões positivas representam níveis lógicos ALTOS. 16

Lógica TTL x RS-232 1. A utilização de tensões diferentes do padrão TTL requer que os equipamentos eletrônicos utilizem drivers para cada sinal. 2. Estes drivers são circuitos integrados (MAX 232) que efetuam a interface entre o microprocessador e porta de comunicação. 17

Cabo de Comunicação Padrão Conectores DB 25 1. A configuração dos cabos de comunicação do padrão RS-232 pode levar a pequenos enganos. 2. O cabo padrão, com conectores iguais nas duas terminações, interliga os pinos com a mesma numeração nos terminais do DTE e DCE. Contudo, estaremos interligando o pino TD (2) do DTE ao pino RD (2) do DCE. 18

Cabo de Comunicação Padrão Conector DB25 e DB9 DTE Conector DB-25 Sinal Sinal Pino Pino TD TD 22 RD RD 33 RTS RTS 44 CTS CTS 55 DSR DSR 66 GND GND 77 CD CD 88 DTR DTR 20 20 RI RI 22 22 DCE Conector DB-9 Pino Pino Sinal Sinal 33 RD RD 22 TD TD 77 CTS CTS 88 RTS RTS 66 DSR DSR 55 GND GND 11 CD CD 44 DTR DTR 99 RI RI 1. Quando os conectores são diferentes, o cabo padrão é construído através da interligação dos sinais definidos pelo padrão. 2. Observe que o pino TD (2) continua ligado ao pino RD (3) do DCE, embora tenha numerações diferentes, trata-se ainda de um cabo padrão. 19

Cabo de Comunicação NULL-MODEM Conexão direta entre dois DTE s Conector DB-9 Conector DB-9 Sinal Sinal Pino Pino Pino Pino Sinal Sinal TD TD 33 33 TD TD RD RD 22 22 RD RD GND GND 55 55 GND GND Sem controle de fluxo Sinal Sinal Pino Pino Pino Pino Sinal Sinal TD TD 33 33 TD TD RD RD 22 22 RD RD RTS RTS 77 77 RTS RTS CTS CTS 88 88 CTS CTS DSR DSR 66 66 DSR DSR CD CD 11 11 CD CD DTR DTR 44 44 DTR DTR GND GND 55 55 GND GND Com controle de fluxo 1. Para comunicação entre CLPs e PCs ou entre quaisquer dois dispositivos DTE o cabo padrão não pode ser utilizado. 2. Devemos usar um cabo com ligações cruzadas, chamado de NULL- MODEM ou modem nulo. 3. Este cabo simula a inversão de dados efetuada pelo modem, quando não utilizamos este dispositivo. 4. Dependendo do equipamento pode ser necessária ou não o uso dos sinais de controle de fluxo. 20

Taxa de Transmissão O padrão RS-232 limita a velocidade a 20 kbps. Velocidades típicas: 300, 1200, 2400, 9600, 19200 bps. A velocidade é limitada pelo velocidade de transição máxima de 30V/us para evitar indução eletromagnética nos demais canais do cabo de comunicação. 1. Devemos lembrar que a tensão gerada por indução eletromagnética é tão maior quanto maior for a taxa de variação do campo magnético. 2. As variações bruscas de tensão e corrente encontradas no momento da transição entre os bits 0 e 1 induzem tensões espúrias nos condutores próximos. 3. O padrão RS-232 limita a velocidade desta mudança para evitar problemas de sinais espúrios nas linhas de dados próximas. 4. Ao limitarmos esta taxa de variação estamos limitando a largura do bit e a conseqüente quantidade de bits possíveis de serem transmitidos em um segundo. 21

Comprimento do Cabo Limitado pela capacitância do cabo Provoca alterações nas transições entre os níveis de tensão de +25 e -25V. Capacitância total deve ser menor que 2500pF. Comprimento de 15m para cabos com 160pF/m. Velocidades menores permitem maiores distâncias. 22

Formato de Dados no RS-232 Não especificado pelo Protocolo Usado para transmissões assíncronas. 1. O padrão RS-232 não trata do formato do dado a ser transmitido, mas é comum na transmissão de dados seriais, byte a byte, de forma assíncrona, a presença dos seguintes bits delimitadores: - START bit: Informa que a transmissão vai iniciar e ativa o clock do receptor. - MESSAGE bits: Byte de dados iniciando pelo bit menos significativo. - PARITY bit: Bit de paridade. Par, Impar ou nenhum. - STOP bit: Informa o fim da transmissão. São 1 ou 2 bits para permitir a re-sincronização do receptor. 2. A eficiência deste tipo de transmissão é de 73% já que são transmitidos onze bits par um byte de informação. 23

Limitações do RS-232 Restrito a comunicação entre dois dispositivos. Limitação de distância de 15 metros. A taxa de 19,2kbps é baixa. Os níveis de tensão de -3/-25V e +3/+25V não são diretamente compatíveis com modernas fontes de alimentação 24