Seminar: Schnittstellenwandler RS-232/RS-485, Funktionsweise

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1 Seminar: Schnittstellenwandler RS-232/RS-485, Funktionsweise Krajcin Admir Sommersemester 16. Juni 2016

2 Ehrenwörtliche Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die Seminararbeit selbständig verfassst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt und die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenene Gedanken als solche kenntlich gemacht habe. Die Seminararbeit habe ich bisher keinem anderen Prüfungsamt in gleicher oder vergleichbarer Form vorgelegt. Sie wurde bisher auch nicht veröffentlicht. (Unterschrift) 16. Juni 2016

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Motivation Ziel Vorgehen Serielle Datenübertragung Einführung Bit-serielle Datenübertragung Synchrones Datenformat Asynchrones Datenformat Datenübertragungs- und Baudrate Serielle Schnittstellen RS Einführung Funktion Steckerbelegung Nullmodemkabel RS Einführung Funktion Steckerbelegung Busverkabelung Schnittstellenwandler RS-232/RS Problematik Vereinfachte Schaltung Komplexe Schaltung Anwendungsbeispiel Vereinfachte Schaltung Zusammenfassung und Ausblick 16 3

4 1 Einleitung 1.1 Motivation Die Zahl der technischen Geräte, die auf unterschiedliche Arten miteinander Kommunizieren nimmt stetig zu. Ob durch Funk- oder Kabelverbindungen, in welchem Umfeld sich die Geräte befinden, über welche Strecken Daten übertragen werden sollen, etc. entscheidet darüber welche Eigenschaften die jeweilige Hardware benötigt. 1.2 Ziel Ziel dieser Arbeit ist es einen Überblick über die serielle Datenübertragung im Bezug auf den Schnittstellenwandler RS-232/RS-485 zu schaffen. Sowie eine Vorstellung darüber zu vermitteln wie digitale Informationen über Schnittstellen übertragen werden. 1.3 Vorgehen Unter Schnittstellen versteht man Anschlussmöglichkeiten verschiedener Geräte mit denen eine Verbindung zu anderen Geräten hergestellt werden kann. Dabei wird in dieser Seminararbeit die Schnittstelle des RS-232- und RS-485-Standards näher betrachtet. Auf die Funktionsweise des Schnittstellenwandlers RS-232/RS-485 wird mithilfe von zwei Beispielen eingegangen. Die verwendeten Abbildungen dienen zum besseren Verständnis. 2 Serielle Datenübertragung 2.1 Einführung Grundgedanke der Datenübertragung ist Daten/Informationen von einem Sender zu einem Empfänger mithilfe eines Übertragunskanals zu transportieren. In der Informatik werden Informationen über Bits ausgetauscht, das heißt eine Folge von Nullen und Einsen bestimmt den Informationsgehalt einer Nachricht. Dabei ist jedes Zeichen einer Nachricht durch eine bestimmte Bit-Folge gekennzeichnet, die Wort genannt wird. Übliche Anzahlen der Bits, also Wortbreiten sind 8, 16, 32 oder 64 Bit. Um eine dementsprechend kodierte Nachricht zu übertragen gibt es verschiedene Möglichkeiten, ob durch beispielsweise direkte Kabelverbindungen, Telefonleitungen oder Funk, entscheidet unter anderem darüber mit welchem physikalischen Signal die Bits, der zu sendenden Informationen, übertragen werden. Ein Beispiel ist die spannungsgesteuerte Übertragung, die die RS232 Schnittstelle verwendet. Genauer gesagt wird im negativen Voltbereich eine logische 1 und im positiven Voltbereich eine logische 0 in einem bestimmten Zeitintervall definiert. Der Ruhepegel, der auf der Leitung anliegt, wenn kein Zeichen übertragen wird liegt zwischen -3 Volt und -12 Volt, was im Datenbereich einer logischen 1 entspricht. 2.2 Bit-serielle Datenübertragung Bit-seriell bedeutet, dass Daten Bit für Bit nacheinander über einen Datenkanal übertragen werden. Wie schon erwähnt werden Zeichen, zum Beisbiel Buchstaben, Ziffern und Sonderzeichen, durch eine bestimmte Bit-Folge definiert. Ein Standard, der bei der Datenübertragung üblich ist, ist die ASCII Codierung, bei der ein Zeichen in der Regel acht Bit, auch Datenbits genannt, belegt. Beispielsweise entspricht dem Buchstaben T. Damit der Empfänger erkennt wann ein Zeichen ankommt, aufhört oder korrekt ist werden zusätzliche Bits mitgesendet. Man unterscheidet dabei zwischen zwei Datenformaten, die im folgenden Unterkapitel erläutert sind. 4

5 2.2.1 Synchrones Datenformat Da sowohl die RS232 als auch RS485 Schnittstelle asynchron Daten übertragen, wird die synchrone Datenübertragung hier nur kurz erläutert. Mehrere Zeichen werden zu einem Datenblock zusammengefasst. Zusätzlich befindet sich am Beginn eines Blocks ein Synchronisationswort und am Ende ein bestimmtes Endezeichen. Parallel dazu wird über eine Extra-Leitung ein Takt-Signal gesendet, womit sich der Empfänger mit dem Sender synchronisiert Asynchrones Datenformat Anders als bei der synchronen Datenübertragung werden Zeichen einzeln gesendet, die jeweils von einem sogenannten Startbit und einem oder zwei Stoppbits eingerahmt sind. Ein separates Taktsignal existiert nicht, das heißt die Synchronisation erfolgt beim Empfänger, der das Taktsignal anhand des Startbits herausliest. Optional wird ein Paritätsbit, das sich zwischen Datenbits und Stoppbit befindet, mitgesendet. Damit kann der Empfänger überprüfen, ob bei der Übertragung ein Fehler aufgetreten ist, jedoch keine Korrektur vornehmen. Diese Fehlererkennung auch Paritätsprüfung basiert auf der Anzahl der enthaltenen Einsen eines Wortes. Dabei unterscheidet man zwischen zwei Verfahren Even-Parity und Odd-Parity. Bei Even-Parity wird das Datenwort durch ein Paritätsbit so zu einem Codewort ergänzt, dass die Anzahl der Einsen gerade ist. Analog dazu soll bei Odd-Parity ein ungerades Ergebnis rauskommen. Eine Fehlerkorrektur ist dabei nicht möglich, da nicht klar ist an welcher Stelle eine Eins mit einer Null vertauscht wurde oder umgekehrt. Folgende Abbildung soll die Form der gesendeten Datenwörter veranschaulichen. Abbildung 1: Asynchroner Datenstrom Datenübertragungs- und Baudrate Die Datenübertragungsrate, auch Datentransferrate genannt, wird in der Regel als Bitrate mit der Einheit bit/s (Bits pro Sekunde) angegeben. Sie bezeichnet also die Menge der Daten, die innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit übertragen werden. Wohingegen die Baudrate, mit der Einheit Baud, die Anzahl der Zustandsänderungen auf einem Übertragungskanal pro Sekunde angibt. Bei der bit-seriellen Datenübertragung unterscheidet man zwischen zwei Zuständen, die ein Bit definieren. Die Baudrate berücksichtigt zusätzlich Start-, Stopp-, und optionale Paritätsbit, daher ist sie größer als die Datentransferrate. Außerdem muss die Baudrate auf der Seite des Senders und der des Empfängers gleich sein, damit Daten korrekt übertragen werden können. 5

6 3 Serielle Schnittstellen 3.1 RS-232 RS-232 steht für Radio Section und bezeichnet einen Standard einer seriellen Schnittstelle, der 1960 von der US-amerikanischen Standard- und Handelsorganisation EIA (Electronic Industries Alliance) definiert wurde. Heutzutage wird RS-232 jedoch als Recommended Standard (= Empfohlener Standard) interpretiert Einführung Entwickelt wurde die RS-232-Schnittstelle hauptsächlich für die Telekommunikations Branche, zum Beispiel für die Verbindung von Computern ans Telefonnetz über Modems. Aber auch die Anbindung von Terminals an Großrechner ist ein Anwendungsbereich. Abbildung 2: Kommunikationsprinzip via Modems Die oben stehende Abbildung zeigt das Kommunikationsprinzip über Modems zwischen zwei Endgeräten. Man unterscheidet zwischen Datenendeinrichtungen (DTEs), beipielsweise Computer, Drucker, usw., mit denen man Daten nur senden und empfangen jedoch nicht weiterleiten kann und Datenübertragungseinrichtungen (DCEs), Modems, die empfangene Daten weiterleiten. Um ein digitales Signal über das Telekommunikationsnetz weiterzuleiten muss auf der Seite des Senders das Signal auf eine bestimmte Trägerfrequenz moduliert und wiederum beim Empfänger auf das ursprüngliche Signal demoduliert werden, daher der Begriff Modem Funktion Die RS-232-Schnittstelle überträgt Wörter mit einer Wortbreite von acht Bits und arbeitet dabei bit-seriell und asynchron, die Synchronisation des Empfängers erolgt also durch das Startbit. Außerdem können über die RS-232-Schnittstelle gleichzeitig Nachrichten gesendet und empfangen werden, auch Vollduplex-Betrieb genannt. Anhand folgender Abbildung soll die bit-serielle, asynchrone Übertragungsweise näher erläutert werden. 6

7 Abbildung 3: Beispielhafter Spannungsverlauf einer bit-seriellen Datenübertragung 7

8 RS-232 ist eine Spannungsschnittstelle, das bedeutet die binären Zustände werden durch elektrische Spannungspegel erzeugt. Es ist zu beachten, dass beim Standard nicht -15 Volt und +15 Volt verwendet werden sondern -12 Volt und +12 Volt. Dazu ist der Bereich zwischen -3 Volt und +3 Volt nicht definiert. Betrachtet man die Abbildung von links nach rechts befindet sich die Leitung zunächst im Ruhezustand (Idle), der Ruhepegel liegt dabei zwischen -3 Volt und -12 Volt, was einer logischen Eins entspricht und Low-Pegel genannt wird. Analog dazu bezeichnet man den Bereich zwischen +3 Volt und +12 Volt als High-Pegel. Das Startbit, definiert durch eine logische Null, erzeugt eine Signalflanke, die dem Empfänger signalisiert, dass nun Datenbits folgen (b0 bis b7). Das abschließende Stoppbit, das einer logischen Eins entspicht, dient als Pause für den Empfänger, da er nicht unmittelbar nach dem ersten Wort ein weiteres empfangen kann. Das bedeutet es können zwischen zwei Wörtern beliebig viele Stoppbits stehen. Zusätzlich hat der Empfänger die Möglichkeit die Übertragung durch einen Handshake anzuhalten, damit keine Daten verloren gehen. Entweder durch einen Software-Handshake, bei dem je nach verwendetem Protokoll spezielle Zeichen zum Steuern des Datenflusses vom Empfänger an den Sender gesendet werden oder durch weitere Leitungen mit denen Sender und Empfänger signalisieren können ob sie bereit sind, auch Hardware-Handshake genannt (mehr dazu später) Steckerbelegung Ursprünglich verwendete die RS-232-Schnittstelle einen 25-poligen Sub-D-Verbinder, auch DB25 genannt. Aus platzsparenden Gründen bei Anwendungsgebieten wie zum Beispiel Embedded Systems und auch weil der RS-232 Standard nicht alle Signale des DB25 benötigt, hat sich der 9-polige Sub-D-Verbinder durchgesetzt. (a) männlich (b) weiblich Abbildung 4: männlicher und weiblicher Anschluss des 9-poligen Sub-D-Verbinders Man unterscheidet zwischen männlichen und weiblichen Anschlüssen. Der männliche Schnittstellenanschluss wird bei Datenendeinrichtungen, wie Computern verwendet und der weibliche bei Datenübertragungseinheiten. Folgende Tabelle soll die RS-232-Steckerbelegung veranschaulichen. Pin Name Abkürzung DTE DCE Beschreibung 1 DCD Data Carrier Detect In Out Signalträger erkannt 2 RxD Receive Data In Out Empfangsdaten 3 TxD Transmit Data Out In Sendedaten 4 DTR Data Terminal Ready Out In Übertragungsgerät bereit! 5 GND Ground - - Bezugspotential 0 Volt 6 DSR Data Set Ready In Out Endgerät bereit? 7 RTS Request to Send Out In Sendeanfrage 8 CTS Clear to Send In Out Sendeerlaubnis 9 RI Ring Indicator In Out Anrufzeichen 8

9 Angenommen der Empfänger ist immer empfangsbereit, dann benötigt man für die Übertragung lediglich drei Leitungen (TxD, RxD und GND). Ist nicht klar, ob der Empfänger bereit ist, werden die restlichen sechs Leitungen für den Hardware-Handshake verwendet, dabei arbeiten die RTS und CTS sowie die DTR und DSR Leitung zusammen Nullmodemkabel Wie der Name sagt wird dieses Kabel verwendet, um beispielsweise zwei Computer direkt miteinander zu verbinden. Anders als bei der Punkt-zu-Punkt-Verbindung (P2P, PtP oder PP), bei der die Leitungen von Stecker und Buchse direkt miteinander verbunden werden, müssen hier die Leitungen TxD und RxD überkreuzt verlaufen, damit eine Datenübertragung funktioniert. 3.2 RS-485 Ein weiterer Standard für eine Schnittstelle, die Daten asynchron und bit-seriell überträgt ist der RS-485. Namensgeber ist die US-amerikanische Electronic Industries Alliance (EIA). Der Standard wird jedoch inzwischen durch die Telecommunications Association (TIA), mit der Bezeichnung TIA-485-A verwaltet Einführung Im Gegensatz zum spannungsgesteuerten RS-232, der mit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung arbeitet, kann der RS-485 Daten stromgesteuert an bis zu 32 Teilnehmer übertragen. Jedoch ist kein Vollduplexbetrieb möglich, da nur ein Übertragungskanal für das Senden und Empfangen existiert. Das bedeutet, wenn ein Teilnehmer die Leitung belegt, darf kein anderer senden, da sonst Kollisionen entstehen. Die RS-485-Schnittstelle stellt somit ein Bussystem dar Funktion Die RS-485-Schnittstelle wird Halbduplex betrieben, so dass entweder gesendet oder empfangen werden kann aber nicht beides gleichzeitig, da nur ein Übertragunskanal zur Verfügung steht. Als Übertragungskanal benutzt der RS-485 ein Leitungspaar, um den invertierten Pegel und den nicht invertierten Pegel der einzelnen Bits eines Datensignals zu übertragen. Die invertierte Leitung ist in der Regel mit dem Buchstaben A und die nicht invertierte Leitung mit B gekennzeichnet. Über die Differenz der beiden Signalpegel ermittelt der Empfänger das ursprüngliche Datensignal, dabei erkennt er noch Pegel zwischen ±200 Millivolt als gültiges Signal. 9

10 3.2.3 Steckerbelegung Abbildung 5: Schaltplan des RS-485 Leitungspaares Das oben gezeigte Leitungspaar ist an einem RS-485 Transceiver angeschlossen. Transceiver ist eine Zusammensetzung aus den englischen Begriffen Transmit (Senden) und Receive (Empfangen). Wie dieser Baustein bewerkstelligt, dass entweder gesendet oder empfangen wird soll folgende Abbildung verdeutlichen. Abbildung 6: Schaltplan des RS-485 Transceivers Die beiden Gatter R und D sind mit dem Leitungspaar A und B verbunden, dabei steht R für Receiver (Empfänger) und D für Driver (Treiber). Ob jetzt gesendet oder empfangen wird, entscheiden die Leitungen RE (Reciever Enable) und DE (Driver Enable), die jeweils mit einem Gatter verbunden sind. Beide Leitungen tragen zwar immer das selbe Signal, doch durch die Invertierung der RE Leitung wird bewerkstelligt, dass ein Gatter offen und das Andere zu ist. 10

11 3.2.4 Busverkabelung Abbildung 7: Schaltplan des RS-485-Bus Abbildung 7 zeigt einen RS-485-Bus mit vier angeschlossenen Teilnehmern, wobei man von ihnen nur die Schutzwiderstände R2-R11 sieht. Damit keine Reflexionen an den Enden des Busses entstehen, wird der Bus mit zwei 120Ω Widerständen (Abbildung 7: R1 und R16) abgeschlossen. Außerdem wird zur Wahrung des Ruhepegels ein sogenannter Pullup- Widerstand an Leitung A und an B ein Pulldown-Widerstand angeschlossen. 11

12 4 Schnittstellenwandler RS-232/RS Problematik Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, wie Daten von der spannungsgesteuerten RS- 232-Schnittstelle, die mit ±12Volt arbeitet, zur stromgesteuerten RS-485-Schnittstelle, mit Spannungen von ±5Volt, übertragen werden. In diesem Kapitel wird auf zwei Schaltungsvarianten eingegangen. 4.2 Vereinfachte Schaltung Folgende Abbildung zeigt eine einfache Schaltungsvariante des RS-232/RS-485 Wandlers, die sich in vier Abschnitte gliedern lässt. 1. Vier neun polige D-SUB Buchsen 2. Zwei MAX3232 Pegelwandler 3. Vier RS-485 Transceiver mit Invertern 4. RS-485-Bus Abbildung 8: Vereinfachte Schaltung In folgenden Abbildungen wird auf Punkt 1-3 näher eingegangen. Da Punkt 4 bereits im vorigen Kapitel erklärt ist wird hier darauf verzichtet. 12

13 Abbildung 9: Schaltplan der RS-232 Buchse Wie bereits erwähnt kann, wie bei diesem Beispiel, nur die TxD, RxD und GND Leitung für die Übertragung verwendet werden. Die Handshake-Leitungen sind kurzgelschlossen, das bedeutet man ist immer empfangs- und sendebereit. Abbildung 10: Schaltplan des RS-232 Pegelwandlers Da die RS-232-Schnittstelle mit Spannungen von ±12Volt arbeitet und die RS-485 mit Pegeln zwischen ±5Volt, wird der oben gezeigte Baustein benötigt um das Signal, sowohl in die eine als auch in die andere Richtung umzuwandeln. An den MAX3232/SO können zwei RS-232-Schnittstellen angeschlossen werden, da er jeweils zwei Ein- und Ausgänge für das Senden und Empfangen besitzt. 13

14 Abbildung 11: Schaltplan des RS-485 Transceivers Die Funktionsweise des RS-485 Transceivers ist im Kapitel erläutert, daher wird hier nicht näher darauf eingegangen. Stattdessen soll ein kleines Beispiel, die Aufgabe des Inverters, der mit der RE und DE Leitung des Transceivers verbunden ist, verdeutlichen. Angenommen man sendet folgende Datenbits über die TxD Leitung Beginnend mit dem Startbit, das einer logischen 0 entspricht, kommt, durch den Inverter, eine logische 1 bei der DE Leitung und eine logische 0, durch die zusätzliche Invertierung, bei der RE Leitung an. Das bedeutet, dass das D Gatter geöffnet ist und eine logische 0 über das RS-485 Leitungspaar gesendet wird. Auf das Startbit folgt eine logische 1, wodurch das D Gatter wieder geschlossen wird. Der Trick ist, dass der Ruhepegel des RS-485-Bus einer logischen 1 entspricht und somit nur die Nullen aktiv durch das Gatter gesendet werden müssen. 4.3 Komplexe Schaltung Im folgenden wird kurz eine komplexe Schaltungsvariante des RS-232/RS-485 Schnittstellenwandlers vorgestellt, da es den Rahmen dieser Seminararbeit sprengen würde auf jedes Element dieser Schaltung einzugehen. Abbildung 12: Komplexe Schaltung Eine Aufzählung der Komponenten dieser Schaltung befinden sich auf der nächsten Seite. 14

15 1. Ein Pegelwandler an dem eine RS-232-Schnittstelle angeschlossen ist 2. Ein RC-Glied 3. Ein RS-485 Transceiver 4. Abschluss-, Pullup- und Pulldown-Widerstand des RS-485-Busses 5. Ein RS-485 Anschluss Abbildung 13: Schaltplan des RS-232 Pegelwandlers Da nur eine Schnittstelle mit dem Pegelwandler verbunden ist, wird auch nur jeweils ein Ein- und Ausgang für die Sende- und Empfangsleitung verwendet, wie man in Abbildung 13 sehen kann. Abbildung 14: Schaltplan des RC-Glieds Der, in Abbildung 14 eingezeichnete Weg entspricht dem Inverter, der einfachen Schaltung aus dem vorigen Kapitel, mit dem Unterschied, dass noch ein RC-Glied an der Leitung hängt. RC steht dabei für Resistor (Widerstand) und Capacitor (Kondensator). Angenommen es hängt eine große Last am RS-485-Bus, das heißt es sind viele Teilnehmer an dem Bus angeschlossen, dann fließt dementsprechen ein langsamerer Strom. Das hat zur Folge, dass der Pegel für eine logische 0 später als üblich erreicht wird. An dieser Stelle greift das RC-Glied, welches erst aufgeladen wird bevor das Signal das D Gatter erreicht. Dadurch wird das Gatter beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt deaktiviert als sonst, wodurch genügend Zeit bleibt um eine logische 0 zu übertragen. 15

16 5 Anwendungsbeispiel 5.1 Vereinfachte Schaltung Abbildung 15: Vereinfachter Schnittstellenwandler RS-232/RS485 Abbildung 15 zeigt den fertigen RS-232/RS485 Schnittstellenwandler, dessen Schaltplan in Abbildung 8 zu sehen ist. Es lassen sich bis zu vier Geräte an diesen Wandler anschliessen, die über den integrierten RS-485-Bus Daten mit hoher Geschwindigkeit austauschen können. Mithilfe von PuTTY und zwei oder mehreren USB zu seriell Adapterkabeln lässt sich eine Verbindung zwischen dem Wandler und zum Beispiel einem Computer herstellen, womit man in Echtzeit beobachten kann mit welcher Geschwindigkeit Zeichen übertragen werden. Interessant wird es wenn unterschiedliche Geräte gleichzeitig senden, hier muss ein festgeschriebenes Protokoll dafür sorgen, dass keine Kollisionen auftreten, jedoch wird an dieser Stelle nicht mehr auf Protokolle eingegangen, weil auch das den Rahmen dieser Seminararbeit überschreiten würde. 6 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassend ist zu sagen, dass diese Seminararbeit lediglich einen Einblick in einen kleinen Bereich der Seriellen Datenübertragung gewährt. Die Schilderung der Funktionsweise des Schnittstellenwandlers RS-232/RS-485 deckt auch nur die Hauptmerkmale ab. Jedoch vermittelt die Seminararbeit ein großes Spektrum an Begriffen und Themen sowie deren Zusammenhänge, sodass vor allem Neulinge eine Orientierungshilfe hier finden können. Über die Zukunft lässt sich sagen, dass wahrscheinlich durch das zunehmende Internet der Dinge sowie der angestrebten Industrie 4.0 physische Schnittstellen langsam aussterben werden und mehr Wert auf drahtlose Datenübertragung gelegt wird. 16

17 Literatur [1] Prof. Jürgen Plate. Datenkommunikation. modem/dfue1.html. [2] Prof. Dr.-Ing. Dirk Rabe. Serielle datenübertragung am beispiel der v.24/rs-232- schnittstelle. PraktDigi_V1_V24.pdf, [3] Lars Tornow. Die v.24-schnittstelle. skripte/alles/node165.html#v24, [4] Lars Tornow. Serielle und parallele Übertragung. Lehre/EDV1/skripte/alles/node163.html, [5] Unbekannt. Der rs-485 bus. [6] Unbekannt. Rs die serielle schnittstelle. rs-232-die-serielle-schnittstelle.html. [7] Unbekannt. Serielle schnittstelle (rs232 / v.24 / com). elektronik-kompendium.de/sites/com/ htm. [8] Bruno Wamister. Rs-232 asynchrone serielle schnittstelle. uni-regensburg.de/~erc24492/i2c%20bus/schnittstellen.pdf, [9] Wikipedia. Datenübertragungsrate. BCbertragungsrate, [10] Wikipedia. Nullmodem-kabel. Nullmodem-Kabel, [11] Wikipedia. Baud [12] Wikipedia. Symbol (nachrichtentechnik). Symbol_%28Nachrichtentechnik%29, [13] Wikipedia. Eia [14] Wikipedia. Rs [15] Wikipedia. Paritätsbit [16] Wikipedia. Serielle datenübertragung. Serielle_Daten%C3%BCbertragung,