Dall’avvento dell’interfaccia USB, il numero di porte seriali installate sui dispositivi seriali e sui computer host è diminuito, ma le interfacce seriali sono ancora ampiamente utilizzate negli ambienti di rete industriali o nei progetti commerciali. Oggi sono in uso decine di interfacce seriali per la trasmissione dei dati. La maggior parte è stata sviluppata per applicazioni specifiche. Alcune sono diventate comuni, come I2C, CAN, LIN, SPI (sia software che hardware), MOST e I2S. Esistono interfacce seriali ad alta velocità come Ethernet, HDMI e Thunder. Le due interfacce più classiche sono RS232 e RS485. Il motivo per cui queste interfacce, ormai consolidate da tempo, sono state utilizzate costantemente deve avere un valore. Quindi, analizziamo quali sono i principi di funzionamento di RS485 e RS232? Qual è la differenza? Quale valore può farle durare per sempre?
Lo scopo principale di un'interfaccia seriale è quello di fornire un unico percorso per la trasmissione dei dati, sia in modalità wireless che tramite cavo. I bus paralleli sono ancora utilizzati in alcune applicazioni. Tuttavia, data l'elevata velocità di trasmissione dei dati ormai così diffusa al giorno d'oggi, i server seriali rappresentano la prima scelta pratica per garantire una comunicazione stabile su distanze superiori a pochi chilometri.
Le interfacce seriali possono essere utilizzate per garantire un livello logico standardizzato dal trasmettitore al ricevitore, definire i mezzi di trasmissione e i connettori, nonché specificare la temporizzazione e le velocità di trasmissione dei dati. In alcuni casi, possono eseguire conversioni da seriale a parallelo e da parallelo a seriale, oppure specificare protocolli di dati di base.
La definizione dei livelli logici, dei supporti e dei connettori rientra nel livello fisico (PHY) o Livello 1 del modello di rete OSI (Open Systems Interconnection). Qualsiasi altra funzione, come l'elaborazione dei dati, rientra nel livello di controllo dell'accesso al supporto (MAC) o Livello 2 del modello OSI.
Porta seriale RS232
Una delle interfacce seriali più antiche è spesso denominata RS232. Fu originariamente definita nel 1962 come metodo per collegare apparecchiature terminali di dati (DTE), quali i telescriventi elettromeccanici, alle apparecchiature di comunicazione dati (DCE). Nel corso degli anni il suo impiego si è esteso a terminali video, computer e modem. I primi personal computer includevano una porta seriale RS232 per il collegamento di stampanti o altre periferiche. Oggi è ancora ampiamente utilizzata nei sistemi di sviluppo di computer embedded, negli strumenti scientifici e in varie apparecchiature di controllo industriale.
Il nome ufficiale dello standard è Electronic Industries Association/Telecommunications Industry Association EIA/TIA-232-F. La lettera F indica le ultime modifiche e gli aggiornamenti apportati allo standard. Questo standard è sostanzialmente identico alle specifiche V.24 e V.28 dell’Unione Internazionale delle Telecomunicazioni – Telecomunicazioni (ITU-T).
Lo standard definisce il 1 logico come una tensione compresa tra –3 e –25 V e lo 0 logico come un livello di tensione compreso tra 3 e 25 V (Figura 1). I livelli di segnale sono spesso indicati come "mark" per il 1 logico e "intervalli" per lo 0 logico. Le tensioni comprese tra ±3 V sono irrilevanti, garantendo all’interfaccia un ampio margine di rumore. Le tensioni di rumore all’interno di questo intervallo vengono eliminate. Nella pratica comune, i livelli logici 0 e 1 vanno tipicamente da un minimo di ±5 V a un massimo di ±12 o ±15 V. Il trasmettitore e il ricevitore sono configurati come single-ended (non differenziali) con riferimento a massa.
1. I livelli di tensione definiscono il 1 logico (o "mark") e lo 0 logico (o "space"). Le tensioni comprese tra ±3 V non sono valide.
Il cavo può essere costituito da semplici fili paralleli o da coppie intrecciate. La lunghezza del cavo determina la velocità di trasmissione massima e, in genere, non dovrebbe superare i 50 piedi. Tuttavia, a velocità di trasmissione inferiori, è possibile utilizzare cavi più lunghi. L’obiettivo principale oggi è quello di utilizzare cavi con una capacità tra i fili non superiore a 2500 pF. Ciò limita la velocità di trasmissione massima a circa 20 kbits/s. A causa delle basse velocità di trasmissione utilizzate da questa interfaccia, il cavo non viene solitamente considerato una linea di trasmissione formale. Le linee di trasmissione richiedono che l’impedenza del generatore e quella del carico siano adattate tra loro per eliminare le riflessioni che causano la corruzione dei dati.
Lo standard definisce un connettore a 25 pin denominato DB-25, progettato per trasportare varie linee di controllo nonché linee di trasmissione e ricezione di dati seriali. Oggi questo connettore è usato raramente. Al suo posto è stato definito un connettore a 9 pin denominato DE-9, che è diventato lo standard di fatto attualmente in uso (Figura 2).
2. Il diffuso connettore DB9 trasmette i segnali indicati. Questi numeri corrispondono ai numeri dei pin del connettore.
Inizialmente, i dispositivi elettromeccanici avevano velocità di trasmissione dati molto basse. La velocità minima è solitamente di 75 bit/secondo, ma sono più comuni quelle di 150 e 300 bit/secondo. Oggi, la velocità di trasmissione dati è definita dal protocollo utilizzato dall’interfaccia e può arrivare fino a 115,2 kbit/s. Le velocità di trasmissione tipiche sono 1200, 2400, 4800, 9600, 19.200, 38.400 e 115.200 bit/secondo. La velocità di trasmissione dati è limitata dalla velocità di variazione massima consentita di 30 V/µs (volt per microsecondo). Per cavi corti e di bassa capacità, con driver adeguati, le velocità di trasmissione dati possono raggiungere diversi megabit al secondo.
Molte connessioni RS-232 sono unidirezionali o simplex. Tuttavia, è possibile il funzionamento bidirezionale o half-duplex utilizzando segnali speciali e tensioni di controllo disponibili. I due dispositivi collegati si alternano nelle operazioni di trasmissione e ricezione.
I segnali di controllo nell'interfaccia definiscono il protocollo per l'invio e la ricezione dei dati. Questi segnali indicano a due dispositivi in comunicazione se sono occupati, in trasmissione, pronti o in ricezione. Il dispositivo trasmittente è un DTE (ad esempio un computer), mentre quello ricevente è un DCE (ad esempio una stampante). I segnali di controllo utilizzati sul comune connettore a nove pin sono:
Rilevamento del supporto dati (DCD): il DCE comunica al DTE che sta ricevendo un segnale di ingresso valido.
Data Set Ready (DSR): il DCE comunica al DTE di essere connesso e pronto a ricevere.
Dati ricevuti (RD): si tratta del segnale effettivo ricevuto dal DTE.
Richiesta di invio (RTS): questo segnale proveniente dal DTE indica al DCE di prepararsi all'invio.
Dati trasmessi (TD): si tratta del segnale inviato dal DTE.
Clear to Send (CTS): questa linea sul DCE indica al DTE che è pronto a ricevere dati.
Data Terminal Ready (DTR): questa linea collega il DTE al DCE e indica che il dispositivo è pronto a inviare o ricevere dati.
Indicatore di chiamata (RI): questa linea veniva utilizzata nelle connessioni via modem di vecchia generazione, ma non è più in uso.
Massa del segnale: si tratta della massa comune a tutti i segnali.
La figura 3 mostra il cablaggio dal DTE al DCE. Prestare attenzione alle interconnessioni tra i pin delle linee di controllo. I segnali su questi pin interagiscono tra loro in un processo denominato controllo di flusso o “handshaking”.”
3. Si tratta di un collegamento comune tra apparecchiature DTE e DCE. Prestare attenzione al collegamento del cavo da un connettore all'altro.
Sebbene non faccia ufficialmente parte dello standard RS-232, la maggior parte dei dispositivi seriali che utilizzano questa interfaccia impiegano anche il cosiddetto Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART). Questo circuito integrato, solitamente separato dai circuiti del driver di linea e del ricevitore, implementa un protocollo di comunicazione di base che trasmette fino a 8 bit alla volta. Esegue la conversione da seriale a parallelo e da parallelo a seriale, aggiungendo bit di start e di stop per indicare l’inizio e la fine della parola di dati, il rilevamento degli errori tramite il bit di parità e la definizione della velocità di trasmissione.
I dati sono solitamente caratteri ASCII, ma è possibile trasferire qualsiasi parola di dati fino a 8 bit (Figura 4). Le interfacce UART possono in genere essere configurate per gestire diverse lunghezze di parola (da 5 a 8 bit), aggiungere 1, 1,5 o 2 bit di stop e includere bit di parità dispari, pari o nessun bit di parità. Sono disponibili velocità di trasmissione da 75 bit/s a 115,2 kbit/s.
RS-485
Definita anch’essa dallo standard EIA/TIA, questa interfaccia è ora denominata TIA-485. Essa definisce non solo una singola interfaccia da dispositivo a dispositivo, ma anche un bus di comunicazione che può essere utilizzato per formare una semplice rete composta da più dispositivi. La sua configurazione e le sue specifiche estendono inoltre la portata e le velocità di trasmissione dati oltre le capacità dell’interfaccia RS-232.
Lo standard RS-485 prevede la trasmissione differenziale su due linee, anziché in modalità single-ended con tensione di riferimento a massa. Il livello logico 1 è superiore a –200 mV, mentre il livello logico 0 è superiore a 200 mV. I livelli tipici di tensione in linea generati dai driver di linea variano da un minimo di ±1,5 V a un massimo di circa ±6 V. La sensibilità di ingresso del ricevitore è di ±200 mV. Il rumore nell’intervallo di ±200 mV viene sostanzialmente bloccato. Il formato differenziale produce un’efficace cancellazione del rumore di modo comune. .
Il mezzo di trasmissione standard è un cavo a doppino intrecciato con fili rigidi #22 o #24 AWG. Sono necessarie almeno due linee, ma è possibile utilizzare una terza linea di riferimento. È inoltre possibile utilizzare un cavo a quattro fili se è richiesto il funzionamento full-duplex. I cavi possono essere schermati o non schermati; quelli non schermati sono i più comuni. I cavi sono considerati linee di trasmissione. L’impedenza caratteristica nominale è di 100 o 120 Ω. Sono necessarie resistenze di terminazione per garantire condizioni di linea adattate ed evitare che le riflessioni causino errori nei dati.
Lo standard non definisce un connettore specifico. Sono stati utilizzati vari metodi di collegamento, tra cui i connettori RS-232 DE-9. In alcuni tipi di apparecchiature di controllo industriale sono comuni i semplici collegamenti tramite morsetti a vite.
La lunghezza del cavo determina la velocità di trasmissione dati massima. Tuttavia, grazie ai livelli di tensione logica più bassi e alle connessioni differenziali, le velocità di trasmissione dati possono superare i 10 Mbit/s a seconda della lunghezza del cavo. La lunghezza massima del cavo è solitamente fissata a 1200 metri o circa 4000 piedi. La velocità di trasmissione massima tipica a 4000 piedi è di 100 kbit/s. Una regola generale prevede che il prodotto tra la lunghezza della linea in metri e la velocità di trasmissione in bit al secondo non superi 10⁸. Ad esempio, un cavo di 20 metri consentirà una velocità di trasmissione massima di 5 Mbit/s.
L'interfaccia RS-485 può essere utilizzata in modalità half-duplex simplex su una singola coppia di cavi. È possibile utilizzare due coppie di cavi per il funzionamento in full-duplex o per la trasmissione e la ricezione simultanee. Una configurazione comune è quella di una rete a bus con più diramazioni o connessioni. Lo standard specifica un massimo di 32 driver (trasmettitori) e 32 ricevitori (Figura 5). Quando non è in corso la trasmissione, il driver di linea viene scollegato dalla linea. Tutti i ricevitori sono completamente collegati e il bus è terminato con resistenze di adattamento di carico.
5. Questa è una rappresentazione di un tipico bus differenziale TIA-485 che mostra i singoli driver (D) e ricevitori (R), oltre ai ricetrasmettitori. Si presti attenzione alle estremità delle resistenze di terminazione del bus.
Lo standard non definisce ancora un protocollo di comunicazione specifico. Talvolta viene utilizzato il protocollo UART standard. La maggior parte delle applicazioni definisce protocolli propri.
Modifiche all'interfaccia
Nella pratica si riscontrano occasionalmente diverse varianti di questi due standard. L’RS-422 è una variante dell’RS-485 con specifiche simili, ma è progettato esclusivamente per l’uso con un solo trasmettitore e fino a 10 ricevitori. I livelli logici variano da ±2 a ±6 V. L’RS-423 è una versione single-ended, anziché differenziale, dell’RS-422. Per il resto, le altre specifiche sono simili a quelle dell’interfaccia RS-485.
Campi di applicazione
Attualmente, lo standard TIA-232 è stato implementato in una vasta gamma di applicazioni a corto raggio e a bassa velocità di trasmissione dati. È particolarmente efficace nelle apparecchiature utilizzate in ambienti rumorosi quali fabbriche, impianti di controllo di processo e siti di servizi pubblici. La lunghezza del cavo è in genere inferiore a 50 piedi. Tra i dispositivi più comuni figurano modem a bassa velocità, apparecchiature di controllo industriale quali controllori logici programmabili (PLC), macchine utensili a controllo numerico (CNC), robot, computer di controllo integrati, strumenti e apparecchiature mediche, nonché sistemi di sviluppo di controllori integrati.
L'interfaccia TIA-485 è inoltre ampiamente utilizzata in applicazioni industriali che richiedono velocità più elevate e distanze maggiori. Viene impiegata per dispositivi dello stesso tipo di quelli definiti dall'interfaccia RS-232, nonché per dispositivi quali terminali POS (Point-of-Sale), strumenti di misurazione e grandi macchine specializzate per l'automazione. La utilizzano anche le reti definite da bus di campo quali Profibus e Modbus.
La maggior parte dei dispositivi di nuova generazione utilizza la diffusa interfaccia USB. Tuttavia, spesso è necessario o auspicabile effettuare la conversione da un’interfaccia all’altra per consentire l’utilizzo congiunto di dispositivi di tipi o generazioni diverse. Sono disponibili vari convertitori per convertire da USB a TIA-232 o TIA-485, da TIA-232 a TIA-485 e viceversa.
sintesi
In generale, l’RS232 è la soluzione ideale per applicazioni che richiedono brevi distanze e basse velocità. È semplice ed economica, e l’interfaccia può essere realizzata utilizzando numerosi componenti quali driver di linea e ricevitori, UART e connettori. Alcuni driver consentono velocità di trasmissione fino a 2 o 3 Mbit/s su linee corte. La maggior parte dei chip di interfaccia contiene un convertitore CC-CC a pompa di carica che fornisce tensioni di alimentazione positive e negative, consentendo al circuito integrato di funzionare con un'unica alimentazione a 3,3 V o 5 V.
L'RS485 garantisce velocità più elevate su distanze maggiori o nei casi in cui siano richieste funzionalità di rete duplex. Allo stesso modo, sono disponibili numerosi componenti standard per la realizzazione di interfacce. Il driver e il ricevitore del circuito integrato possono gestire più di 32 interrupt e la velocità di trasmissione dati può raggiungere i 40 Mbit/s. Alcuni circuiti integrati includono anche convertitori CC-CC che forniscono doppia tensione di alimentazione
Parole chiave: da RS485 a 4G
