Mi az RS232 soros kommunikációs protokoll?
RS-232 egy szabvány, amelyet a 60-as évek elején vezettek be soros adatátvitelhez, és ma is széles körben használják, főként azért, mert többcélú, könnyen kezelhető és karbantartható, könnyen hozzáférhető, és széles körben támogatott. Nemcsak az elektromos jellemzőket határozza meg, például a jelátviteli sebességet, a feszültségszinteket, a kábelhosszt, az időzítést és a rövidzárlati viselkedést, hanem sok más dolgot is, többek között az interfész mechanikai jellemzőit, a csatlakozókat és a lábkiosztásokat.
Az RS-232 szabvány szerint minden adat bitek időbeli sorozataként kerül továbbításra. PC esetén a leggyakoribb konfiguráció az aszinkron kapcsolat, amely 7 bites vagy 8 bites csomagokat küld. Ez a szabvány azonban a szinkron átvitel támogatását is biztosítja.
Mindezen érdemei ellenére az RS-232 rendelkezik néhány komoly korlátozással a hatótávolság és az adatátviteli teljesítmény tekintetében, ezért fő alkalmazási területe az ipari berendezések, a hálózatépítés és a laboratóriumi eszközök.
Főbb specifikációk az RS-232-höz
Üzemmód: egyvégű
Max. kábelhossz: 15,24 méter (50 láb)
Max. adatátviteli sebesség: 20 kbps
Max. meghajtó kimeneti feszültsége: +/-25V
Max. felfutási sebesség: 30V/uS
Max. meghajtóáram High Z állapotban: +/-6mA @ +/-2v (kikapcsolt állapotban)
Meghajtó terhelési impedanciája: 3000-7000 Ohm
Meghajtó kimeneti jelszintje: +/-5V-tól +/-15V-ig (terhelve) vagy +/-25V (terheletlen)
Vevő bemeneti ellenállása: 3000-7000 Ohm
Vevő bemeneti feszültségtartománya: +/-15V
Vevő bemeneti érzékenysége: +/-3V
Meghajtók és vevők teljes száma egy vonalon: 1 meghajtó és 1 vevő
RS232 szabványos korlátozások
Melyek az RS-232 soros port ismert problémái? A szabványos COM port használata egy csomó korlátozással jár, amelyekkel meg kell küzdened. Íme a szabvány nyilvánvaló korlátai:
- A nagy feszültségingadozás miatti megnövekedett energiafogyasztás komoly bonyodalmat jelent a tápegység tervezése során.
- Sok eszköz nem használja a kézfogó vonalakat az áramlásszabályozáshoz, ezáltal az RS-232 megbízhatatlanná válik.
- Bár a többpontos (multi-drop) csatlakoztatás problémáját megbízhatóbb alternatívákkal kezelték, ez még mindig nem kompenzálja az RS232 port kompatibilitási és sebességkorlátait.
- Nullmodemre vagy keresztezett kábelre van szükség, amikor perifériát csatlakoztatunk a számítógéphez.
- Az RS-232 nem oldja meg az egyvégű (single-ended) jelátvitel által jelentett problémát.
RS-232 csatlakozók
Egy RS-232 eszköz vagy áramkör-végződtető berendezés (DCE), vagy adatvégberendezés (DTE), attól függően, hogy mely vezetékeket használják az egyes jelek küldésére és fogadására.
Az RS-232 szabványnak megfelelően a DCE a női csatlakozókra, a DTE pedig a férfi csatlakozókra vonatkozik. Vannak azonban olyan eszközök, amelyeknél a csatlakozó neme és a lábkiosztás meghatározása mindenféle kombinációban előfordul. Például egy olyan terminál, amely beépített női csatlakozókkal rendelkezik, és amelyhez olyan kábel jár, amelynek mindkét végén férfi csatlakozó van, teljes mértékben megfelel az RS-232 szabványnak.
A C revízióig a szabvány a D-szubminiatűr 25 pólusú csatlakozó használatát ajánlja, bár kötelezővé csak a D revíziótól válik. Ez azért van, mert az eszközök túlnyomó többségének valójában nincs szüksége mind a szabványban megadott 20 jelre, és az RS-232 9 pólusú csatlakozások sokkal olcsóbbak, és nagyon kevés helyet foglalnak. Kompaktabbak és olcsóbbak. Ezt a 9 pólusú RS-232 csatlakozót széles körben használják személyi számítógépekhez és hasonló eszközökhöz.
DB25 csatlakozók
Érdemes megjegyezni, hogy nem minden 25 tűs D-sub csatlakozó rendelkezik RS-232-C kompatibilis interfésszel. Egyes PC-gyártók nem szabványos jeleket és feszültségeket alkalmaznak a PC COM port kiosztásának bizonyos tűin. Az eredeti IBM PC-n például a női D-sub csatlakozót a párhuzamos Centronics nyomtatóporthoz használták.
25-tűs soros csatlakozó kiosztása:
1. érintkező: GND − Árnyékolás föld.
2. érintkező: TxD → Adott adatok. Az adatokat az adatvégberendezéstől az adatátviteli berendezés felé továbbítja.
3. érintkező: RxD ← Fogadott adatok. Az adatokat az adatátviteli berendezéstől az adatvégberendezés felé továbbítja.
4. érintkező: RTS → Küldési kérelem. Az adatvégberendezés jelzi az adatátviteli berendezésnek, hogy készüljön fel az adatátvitelre.
5. érintkező: CTS ← Küldésre kész. Az adatátviteli berendezés jelzi az adatvégberendezésnek, hogy készen áll az adatok fogadására.
6. érintkező: DSR ← Adatátviteli berendezés kész. A DCE készen áll adatok fogadására és küldésére.
7. érintkező: GND − Rendszerföld. Nulla feszültségszint-referencia.
8. érintkező: CD ← Vivőérzékelés. Az adatátviteli berendezés jelzi az adatvégberendezésnek egy másik eszköz észlelt vivőjét.
9. érintkező: Fenntartva
10. érintkező: Fenntartva
11. érintkező: STF → Adócsatorna kiválasztása.
12. érintkező: S.CD ← Másodlagos vivőérzékelés.
13. érintkező: S.CTS ← Másodlagos küldésre kész.
14. érintkező: S.TXD → Másodlagos adó adat.
15. érintkező: TCK ← Átviteli jelszimbólum-időzítés.
16. érintkező: S.RXD ← Másodlagos fogadó adat.
17. érintkező: RCK ← Vevő jelszimbólum-időzítés.
18. érintkező: LL → Helyi hurokvezérlés.
19. érintkező: S.RTS → Másodlagos küldési kérelem
20. érintkező: DTR → Távoli hurokvezérlés.
22. érintkező: RI ← Csengetésjelző. Az adatátviteli berendezés jelzi az adatvégberendezésnek az észlelt csengetési állapotot.
23. érintkező: DSR → Adatjel-sebességválasztó.
24. érintkező: XCK → Adó jelszimbólum-időzítés.
25. érintkező: TI ← Tesztjelző.
Aszinkron kommunikáció során az RTS és a CTS a teljes munkamenet alatt folyamatosan aktív. Ha azonban a DTE multipontos vonalhoz csatlakozik, az adatátvitel egyszerre csak egy állomásról történik (a visszirányú telefonérpár megosztása miatt), így az RTS egyetlen szerepe az, hogy a modem vivőjét be- és kikapcsolja. Egy állomás akkor emeli fel az RTS-t, amikor készen áll az adásra. A modem bekapcsolja a vivőt, megvárja, amíg stabilizálódik (ez általában néhány ezredmásodpercet vesz igénybe), majd felhúzza a CTS-t. Amíg a CTS aktív, a DTE ad. Az átvitel befejezése után az állomás leengedi az RTS-t, majd a modem leengedi a CTS-t és a vivőt is.
A COM port kiosztásának 15., 17. és 24. érintkezőin lévő összes órajel csak szinkron kommunikációhoz használható. Az órajelet a DSU vagy a modem az adatfolyamból nyeri ki, vagy a DSU kinyeri és elküldi a DTE-nek, hogy egyenletes órajelet biztosítson. Fontos hangsúlyozni, hogy a vett és a küldött órajeleknek nem kell azonosnak lenniük, és eltérő baud sebességük is lehet.
9 tűs RS-232 tűkiosztás
Tehát itt a személyi számítógépeken használt soros csatlakozás lábkiosztásának egy leegyszerűsített változata: az RS-232 9 tűs lábkiosztása.
1-es láb: DCD ← Adathordozó érzékelése
2-es láb: RxD ← Adat vétel
3-as láb: TxD → Adat küldés
4-es láb: DTR → Adatvégberendezés kész
5-ös láb: 0V/COM − 0V vagy rendszerföld
6-os láb: DSR ← Adatkészlet kész
7-es láb: RTS → Küldési kérés
8-as láb: CTS ← Küldés engedélyezése
9-es láb: RI ← Csengetésjelző
RS-232 jelek
Az RS232 soros port lábkiosztásainak jeleit reprezentáló feszültségszintek egy rendszerközöshöz (táp/logikai föld) viszonyítva. Az aktív állapot (SPACE) jel-szintje a közöshöz képest pozitív, az üresjárati állapot (MARK) jel-szintje pedig a közöshöz képest negatív. Egy kommunikációs protokollt az RS-232-nek kell meghatároznia. Emellett az RS-232 több kézfogó (handshaking) vonallal rendelkezik a modemekkel való használathoz (a legtöbb esetben).
Az RS-232 interfész feltételezi, hogy mind a DTE, mind a DCE hasonló elektromos buszokkal és azonos földeléssel rendelkezik. Nyilvánvalóan ez a feltételezés teljesen téves lehet, ha a DTE és a DCE közötti hosszú vezetékekről van szó.
Az RS232 szabvány által megadott maximális üresjárati (open-circuit) feszültség 25 V, de a jel-szintek általában 5 V, 10 V, 12 V és 15 V.
Az RS-232 szabvány szerint minden adat bipoláris. A legtöbb berendezésnél a BE vagy 0-állapotot (SPACE) a +3 V és +12 V közötti feszültség jelzi, a KI vagy 1-állapotot (MARK) pedig a -3 V és -12 V közötti feszültség jelzi. Néhány eszköz azonban nem ismeri fel a negatív szinteket, és a KI állapothoz a 0 V is elegendő. És néha kisebb feszültségek is elegendőek lehetnek a BE állapot eléréséhez. Így lehetőség van az RS-232 adás/vétel teljes tartományának jelentős csökkentésére.
A kimenő jel normál feszültsége +12 V-tól -12 V-ig terjed. Továbbá van egy úgynevezett „holt zóna” +3 V és -3 V között, amely a vonali zaj elnyelésére szolgál. Más, az RS-232-höz hasonló soros port lábkiosztásoknál ez a tartomány eltérő lehet (pl. a V.10 definíció +0,3 V és -0,3 V közötti holt zónát határoz meg). Sok RS-232 vevő könnyedén érzékel 1 V-os, vagy akár annál kisebb differenciálokat is.
RS-232 kábelek specifikációi
Az RS-232 szabvány közvetlenül nem határoz meg kábelhossz-korlátokat, így a fő meghatározó tényező az, hogy egy szabványnak megfelelő meghajtóáramkör mekkora kapacitást képes elviselni. Általános szabályként a kritikus hossz 15 m lesz (vagy körülbelül 300 m, feltéve, hogy csak alacsony kapacitású kábeleket használtak). Őszintén szólva, hosszabb távolságokra az RS-232 szabvány nem a legjobb megoldás nagy sebességű, nagy távolságú adatátvitelhez.
Figyelembe véve, hogy nem minden eszközgyártó tartja be a szabványt minden részletében, jó gyakorlat átnézni a dokumentációt, és egy breakout boxot használni minden új csatlakozás teszteléséhez. Egyes esetekben csak a próbálkozás és tévedés módszere segíthet megtalálni a megfelelő kábelt az egyes eszközpárok összekapcsolásához.
Az RS-232 szabványnak megfelelően egy DCE eszközt egy DTE-hez olyan kábelen keresztül kell csatlakoztatni, amelynek mindkét csatlakozójában azonos lábszámok vannak (ez az úgynevezett „egyenes kábel”). Bármilyen kábel-/csatlakozó nemi eltérés könnyen orvosolható nemváltó adapterekkel. Szintén gyakoriak azok a kábelek, amelyek egyik végén 25 tűs D-sub csatlakozó, a másikon pedig RS-232 9 tűs csatlakozó található. A 8P8C csatlakozókkal rendelkező berendezésekhez általában olyan kábelt adnak, amely DB-9-et vagy DB-25-öt tartalmaz. Némelyik még cserélhető csatlakozókkal is rendelkezik a nagyobb rugalmasság érdekében.
Ha nincs szükség az RS-232 teljes kihasználására, használhat minimális 3-vezetékes kapcsolatot: adás, vétel és föld. Egyirányú adatáramláshoz létezik 2-vezetékes opció: adat és föld. Kétirányú, hardveresen vezérelt adatátvitelhez pedig a legjobb alternatíva az 5-vezetékes változat, amely megegyezik a 3-vezetékessel, de kiegészül az RTS és CTS vonalakkal.
RS-232 adatfolyam-diagram
Az RS-232 szabvány szerint az adatok számos változatban továbbíthatók. A leggyakoribb azonban a csomagok küldése, amelyek egy 7–8 bites szót, valamint start-, stop- és paritásbiteket tartalmaznak. Ahogy az alábbi ábrán látható, először a start bit következik (aktív alacsony, +3 V-tól +15 V-ig), majd az adatbitek, ezt követi a paritásbit (ha a protokoll megköveteli), végül pedig a stop bit (a logikai magas szint visszaállítására szolgál, -3 V-tól -15 V-ig).
Az RS232 és más szabványok közötti kapcsolat
Az RS-232 kompatibilis portok nem feltétlenül működnek több más soros jelátviteli szabvánnyal, például az RS-422, RS-423, RS-449, RS-422, 423, RS-485 stb. szabványokkal. A +5 és 0 V-hoz közeli TTL szintet használó GPS-vevők és mélységmérők esetében a „mark” szint a szabvány nem meghatározott tartományába kerül. Ilyen környezetben az RS-232 szabvány használatához szintillesztőre lesz szüksége.
Hogyan kapcsolódnak egymáshoz:
- Az RS-422 sebessége hasonló az RS-232-höz, de a jelzés eltér
- Az RS-423 sebessége azonos, de nem kiegyensúlyozott jelzéssel
- Az RS-449 kivonva
A MIL-STD-188 hasonló az RS-232-höz, de kiváló felfutási időszabályozással és jobb impedanciával rendelkezik. Arra gondol, hogy kidobja az RS-232 eszközét? Nem olyan gyorsan! Amint láthatja, ez a soros protokoll továbbra is rácáfol minden olyan állításra, hogy az USB teljesen leváltotta. Bár a modern kommunikációs rendszerek kifinomultabb megoldást, például USB-t igényelnek, továbbra is használni fogjuk a szabványos soros portokat.
A harmadik féltől származó alkalmazások sokat tettek azért, hogy javítsák az RS-232 soros porttal végzett munkát. Erre példa az Electronic Team által fejlesztett RS232–Ethernet csatlakozó. Érdekes felhasználási forgatókönyveket találhat a Felhasználói útmutatóban.
Modern soros port használati esetek
A soros portok talán nem látványosak, de továbbra is az elektronika és az IT egyik legmegbízhatóbb és legszélesebb körben használt kommunikációs módszerei.
Akár ipari rendszerekkel, beágyazott eszközökkel vagy hálózati hardverekkel dolgozol, a soros portkiosztások ismerete még mindig értékes készség.
A soros portok túlléptek az örökölt PC-ken.
1. USB–soros kommunikáció
Az adapterek lehetővé teszik, hogy a modern laptopok könnyedén csatlakozzanak soros eszközökhöz.
2. Virtuális soros portok
Virtual Serial Port Driver képes emulálni a teszteléshez használható COM portokat és a távoli kommunikációt.
- Hasznos IoT- és felhőkapcsolt rendszerekben
- Lehetővé teszi a portmegosztást hálózatokon keresztül
3. Beágyazott fejlesztés
A soros port továbbra is az elsődleges hibakeresési felület az alábbiakhoz:
- Mikrovezérlők
- IoT-eszközök
- Firmware-fejlesztés
4. Hálózati eszköz konfigurációja
Sok vállalati router és switch még mindig soros konzol-hozzáférésre támaszkodik.
Gyakran Ismételt Kérdések
Az RS (ajánlott szabványt) az Electronic Industries Association már a 60-as években fejlesztette ki, hogy megkönnyítse a modem és a számítógép-terminálok közötti kommunikációt.
A legtöbb ipari automatizálási és felmérési laboratórium továbbra is soros port technológiát használ a korlátai ellenére. A DB-9M csatlakozó újbóli bevezetése a Tecra személyi számítógépen a Toshiba által bizonyítja, hogy ezek a szabványok egyelőre velünk maradnak. A különbségeik ellenére mind az USB-, mind az RS-232-szabvány támogatja a legtöbb szoftverprogramot a főbb operációs rendszerekben.