Industrielle Sensor- und Steuersysteme stellen einen Kommunikationsbus vor zahlreiche Herausforderungen. So sind beispielsweise extrem lange Kabelstrecken durchaus üblich, während die industrielle Umgebung selbst für ihre oftmals rauen Betriebsbedingungen bekannt ist. Industrielle Anlagen können den verschiedensten Temperaturbedingungen, starkem elektrischen Rauschen in den Versorgungs- und Datenleitungen sowie Fehlerereignissen wie elektromagnetischen Interferenzen (EMI), elektrostatischen Entladungen (ESD) oder Kurzschlüssen ausgesetzt sein.
Die Lösung dieser Probleme liegt in der Verwendung einer robusten seriellen Schnittstelle auf der Basis eines UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), der von manchen Herstellern auch als asynchrones Kommunikationselement (ACE, Asynchronous Communications Element) bezeichnet wird. UARTs sind als eigenständige Komponenten wie dem TL16C752D von Texas Instruments erhältlich, oder sie können in einem Mikrocontroller wie dem PIC16F688T-I/SL von Microchip Technology untergebracht sein.
Mit entsprechenden Leitungstreibern kann ein UART über große Entfernungen verwendet werden, von 15Metern (m) für den seriellen Datenbus RS-232 bis hin zu 1000m für RS-485- oder RS-422-Schnittstellen. Alle drei Protokolle ermöglichen die Steuerung per Fernzugriff von Maschinen und Controllern in Automatisierungsanwendungen und sollen die Auswirkungen von EMI und ESD in extrem rauen Umgebungen minimieren.
Dieser Artikel enthält Hintergrundinformationen zu diesen häufig genutzten Protokollen für industrielle Steuerungsschnittstellen und zeigt, wie sie mithilfe von UARTs und Leitungstreibern implementiert werden können.
RS-232
Der serielle Kommunikationsstandard RS-232 ist derzeit auch unter der Bezeichnung EIA/TIA-232-F bekannt. Hierbei handelt es sich um einen Standard der Electronic Industries Association/Telecommunications Industries Association. Der Buchstabe „F“ zeigt die aktuellste Version des Standards an. Der Standard ist identisch mit den Standards V.24 und V.28 der International Telecommunications Union (ITU). Bei dieser Schnittstelle handelte es sich um den ursprünglichen seriellen Bus in PCs. Ursprünglich diente er zur Verbindung des Computers– der sogenannten Datenendeinrichtung (DEE)– mit einem Modem, der sogenannten Datenübertragungseinrichtung (DÜE).
EIA/TIA-232-F definiert einen Standard der physischen Schicht, inklusive Signalpegel und -takt, Steuersignale, Steckverbinder und Verdrahtung der Steckverbinder. Zeichenkodierung, Framing sowie andere Aspekte der Protokollebene definiert der Standard nicht. Ein typischer asynchroner serieller Bus umfasst einen UART oder ACE, Leitungstreiber, Steckverbinder und Kabel (Abbildung1).
Abbildung1: Ein einfaches RS-232-System umfasst eine Datenendeinrichtung (DEE)– beispielsweise einen Computer– sowie eine Datenübertragungseinrichtung (DÜE)– zum Beispiel ein Modem. Ein UART/ACE verbindet die parallele Backplane eines Computers mit der seriellen RS-232-Schnittstelle. (Bildquelle: Texas Instruments)
Der UART/ACE wandelt den internen parallelen Bus des Computers in einen seriellen Datenstrom um. Des Weiteren stellt er den FIFO-Speicherpuffer (First In– First Out) für Ein- und Ausgang, einen Schnittstellentaktgeber (allgemein als Baudratengenerator bezeichnet) sowie Signale für Timing und Handshake der Schnittstelle zur Verfügung. Der analoge Ein- und Ausgang des UART/ACE kann mit einem Leitungstreiber gepuffert werden. Die Ausgabe der DEE wird als Sendesignal (TX) bezeichnet, wohingegen die Eingabe als Empfangssignal (RX) bezeichnet wird. Das Schnittstellenkabel darf maximal 15m lang sein. Die Länge des Kabels bestimmt die maximale Datenrate, die über den Schnittstellenbus zuverlässig verwendet werden kann.
Die RS-232-Schnittstelle stellt eine Verbindung zwischen zwei Geräten mit Vollduplex-Anschluss her. Das bedeutet, dass jedes Gerät gleichzeitig senden und empfangen kann. Das serielle Datenpaket, das über die RS-232-Schnittstelle übertragen wird, besteht aus einem Startbit, 5bis 8Datenbits, 1/1,5/2Stoppbits und einem Paritätsbit (Abbildung2).
Abbildung2: Ein über die RS-232-Schnittstelle übertragenes Datenpaket besteht aus einem Startbit, 5bis 8Datenbits (8werden dargestellt), ein Paritätsbit (optional) und 1, 1,5oder 2Stoppbits. (Bildquelle: DigiKey)
Kabel für RS-232-Schnittstellen müssen aus mindestens drei Drähten bestehen: einen zum Senden, einen zum Empfangen und einen, der als Signalmasse fungiert. Die Masse ist der Rückleiter für beide Signalleiter.
Viele Merkmale der RS-232-Schnittstelle sind mit ihrer ursprünglichen Anwendung in der Telekommunikation verknüpft. Sie verwendet eine negative Logik mit einem hohen Pegel (bezeichnet als „Space“) und einem niedrigen Pegel (bezeichnet als „Mark“). Der Neutral- oder Ruhezustand ist ein High-Pegel, sodass die Verbindung aus der Ferne verifiziert werden kann. Auf der Senderseite bedeutet ein 0-Pegel (oder Space) eine Spannung zwischen +5und +15Volt. Die logische 1(der Mark-Pegel) steht für eine Spannung zwischen -5und -15Volt. Auf der Empfängerseite bedeuten 3bis 15Volt eine 0 und -3bis -15Volt eine 1.
Die Übertragung wird als asynchron bezeichnet, weil kein Taktsignal gesendet wird. Für RS-232 müssen beide Seiten des Busses für einen bestimmten Takt bzw. eine bestimmte Baudrate eingerichtet sein. Die Baudrate ist ein Maß für die Anzahl der pro Sekunde übertragenen Symbole und entspricht für RS-232 in etwa der Taktrate. Gebräuchliche Baudraten sind 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800und 921600 Baud.
Je höher die Taktrate ist, desto kürzer muss das Kabel sein. Bei einer Baudrate von 9600 etwa kann die maximale Kabellänge von 15m verwendet werden. Bei höheren Baudraten verkürzt sich die maximale Kabellänge.
RS-232-Steuersignale
Der RS-232-Standard verwendet eine Reihe vorgegebener Steuersignale. Sie melden den Status der DEE- und DÜE-Geräte und implementieren einen hardwarebasierten Handshake, um die Datenübertragung zu steuern (Tabelle1).
| Signalbezeichnung | Kürzel | Funktion |
|---|---|---|
| Data Terminal Ready | DTR | Wird von der DEE eingeschaltet, wenn sie bereit für die Datenübertragung ist. Diese Leitung muss aktiviert sein, bevor die DÜE das Signal DSR einschalten kann. |
| Data Set Ready | DSR | Wird von der DÜE eingeschaltet, um anzuzeigen, dass sie online ist. |
| Carrier Detect | DCD | Wird von der DÜE eingeschaltet, wenn sie ein Trägersignal von einer entfernten DÜE empfängt. |
| Ring Indicator | RI | Wird von der DÜE eingeschaltet, wenn eine entfernte Telefonleitung eine Verbindung herstellen möchte. |
| Request To Send | RTS | Wird von der DEE eingeschaltet, wenn sie bereit für das Senden von Daten ist. |
| Clear To Send | CTS | Wird von der DÜE als Antwort auf einen empfangenen RTS-Befehl eingeschaltet. Bleibt eingeschaltet, bis das RTS-Signal ausgeschaltet wird und das letzte Datenbit empfangen wurde. |
| Receive Data Line | RX | Daten werden empfangen. |
| Transmit Data Line | TX | Daten werden gesendet. |
Tabelle1: Die Steuer- und Handshake-Signale für RS-232. (Quelle der Tabelle: DigiKey)
Der Hardware-Handshake wird über die Ablaufsteuersignale Request To Send (RTS) und Clear To Send (CTS) implementiert, um sicherzustellen, dass beide Geräte bereit für die Datenübertragung sind und die Daten vom Empfänger auch wirklich empfangen wurden. Der Hardware-Handshake wird über folgende Aktionen implementiert:
- Die Datenendeinrichtung zieht die RTS-Steuerleitung auf den Pegel „1“ bzw. „Mark“.
- Die Datenübertragungseinrichtung zieht die CTS-Steuerleitung auf den Pegel „1“bzw. „Mark“.
- Die Datenendeinrichtung zieht die DTR-Steuerleitung (Data Terminal Ready) für die Dauer der Datenübertragung auf den Pegel „1“ bzw. „Mark“.
- Nach Abschluss der Übertragung setzt die Datenendeinrichtung die DTR- und RTS-Steuerleitungen wieder auf den Pegel „0“ bzw. „Space“.
- Die Datenübertragungseinrichtung setzt die CTS-Steuerleitung wieder auf den Pegel „0“bzw. „Space“.
RS-232 kann zur Steuerung des Datenflusses auch einen Software-Handshake verwenden, bei dem die Zeichen XON (ASCII DC1, hex 11) und XOFF (ASCII DC3, hex 13), die im Datenstrom gesendet werden, eine ähnliche Synchronisierung der übertragenen Daten durchführen.
Funktionsblockschaltbild des UART
Der TL16C752D von Texas Instruments ist ein Dual-UART mit 64-Byte-FIFOs, die für Datenraten bis zu 3Megabit pro Sekunde (Mbit/s) geeignet sind (Abbildung3).
Abbildung3: Das Funktionsblockschaltbild des Dual-UART TL16C752D mit 3Mbit/s von Texas Instruments zeigt die 64-Byte-FIFOs und die Schnittstellenleitungen. (Bildquelle: Texas Instruments)
Jeder Bereich des UART verfügt über einen eigenen softwaregesteuerten Baudratengenerator. Die Datenbusschnittstelle führt die Parallel-Seriell-Datenkonvertierung durch und speist beide Bereiche des Dual-UART. Jeder Bereich verfügt über unabhängige Steuerleitungen. Der TL16C752D wird mit Versorgungsspannungen von 1,8Volt bis 5,5Volt über einen Temperaturbereich von -40°C bis 85°C betrieben.
UARTs auf Mikrocontroller-Basis
Viele Mikrocontroller wie beispielsweise der PIC16F688T-I/SL von Microchip Technology beinhalten serielle Datenschnittstellen zur Kommunikation mit Monitoren, externen Analog/Digital-Wandlern (ADCs) und Digital/Analog-Wandlern (DACs) sowie mit anderen Mikrocontrollern (Abbildung4).
Abbildung4: Der CMOS-Mikrocontroller PIC16F688T-I/SL von Microchip Technology beinhaltet eine serielle Schnittstelle mit einem EUSART (Enhanced Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter). (Bildquelle: Microchip Technology)
Der EUSART, der gelegentlich auch als serielle Kommunikationsschnittstelle (SCI, Serial Communications Interface) bezeichnet wird, kann entweder als serielle asynchrone Vollduplex- oder serielle synchrone Halbduplex-Datenverbindung konfiguriert werden. Der EUSART im PIC16F688T-I/SL beinhaltet sämtliche Schieberegister, Taktgeneratoren und Datenpuffer, die nötig sind, um unabhängig von der Programmausführung des Mikrocontrollers eine serielle Datenübertragung über den Ein- oder Ausgang durchzuführen. Er verfügt über einen Empfangspuffer für zwei Zeichen sowie einen Sendepuffer für ein Zeichen. Die asynchrone Vollduplex-Schnittstelle ist hilfreich bei der Kommunikation mit externen Peripheriegeräten wie einem Anzeigebildschirm. Hierbei handelt es sich auch um den primären Anwendungsbereich für diese Schnittstelle im Mikrocontroller.
Leitungstreiber
Leitungstreiber unterstützen den Betrieb von UARTs, indem sie die Sende- und Empfangssignale puffern. Sie sind hilfreich, weil sie über den gesamten Spannungspegelbereich der RS-232-Schnittstelle verwendet werden können. Ein Beispiel für eine solche Komponente ist der duale RS-232-/TIA-/EIA-232-F-Transceiver MAX232DR von Texas Instruments (Abbildung5).
Abbildung5: In dieser Abbildung wird der duale Treiber/Empfänger MAX232DR zur Pufferung eines dualen UART TL16C752D verwendet. Der MAX232DR ist für Eingangsspannungen bis ±30Volt geeignet, während die Ausgänge vor Masseschlüssen geschützt sind. (Bildquelle: Texas Instruments)
Der Leitungstreiber/-empfänger MAX232DR bietet Vorteile in industriellen Anwendungen, in denen mit höheren Spannungen gearbeitet wird. Er hält Eingangsspannungen bis zu ±30Volt stand. Die Komponente umfasst einen kapazitiven Spannungsgenerator mit vier externen Kondensatoren, um über eine einzige 5-Volt-Versorgung RS-232-Spannungspegel von -5bis -7Volt und +5bis +7Volt an den Ausgängen bereitzustellen.
Symmetrische Signalübertragung
Die RS-232-Schnittstelle verwendet für die Sende- und Empfangsleitung asymmetrische Verbindungen. Bei solchen asymmetrischen Verbindungen werden Signalspannungen von der Leitung zur Masse gemessen. In industriellen Umgebungen tritt häufig Rauschen auf, das sich auf die Signalleitungen der RS-232-Schnittstelle auswirkt und die Länge der Busleitungen einschränkt. Die symmetrische Signalübertragung ist eine klassische Möglichkeit, um diese Einschränkung zu umgehen.
Ein differenzieller Bus besteht aus zwei Drähten für jedes Signal, wobei die Signale über die Spannungsdifferenz zwischen den zwei Drähten gemessen werden. Da Rauschen und Übersprechen in der Regel für beide Signalleitungen auftreten, werden diese annähernd identischen Signale durch die Differenzmessung subtrahiert, wodurch ihre Amplitude erheblich verringert wird. Zusätzlich werden Differenzialkabel geschirmt, um die Auswirkungen von Rauschen und Störungen weiter zu reduzieren.
Es gibt zwei gebräuchliche Datenbusstandards, die differenzielle Signalleitungen verwenden, nämlich RS-422 (TIA/EIA-422) und RS-485 (TIA/EIA-485), wobei Letzterer der am häufigsten anzutreffende serielle Bus in Industrieanwendungen ist. Diese Standards verwenden Twisted-Pair-Übertragungsleitungen, mit denen verbundene Geräte bis zu 1200m (4000Fuß) voneinander entfernt sein können. Beide Standards sind für maximale Datenraten von 10Mbit/s geeignet. Tabelle2 bietet einen Vergleich aller drei seriellen Busse.
| Standard | RS-232 | RS-422 | RS-485 |
|---|---|---|---|
| Leitungskonfiguration | Asymmetrisch | Differenziell | Differenziell |
| Art der Übertragung | Vollduplex | Vollduplex | Halbduplex (2Drähte) Vollduplex (4Drähte) |
| Verwendete Signale | TX, RX, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, Ground | TXA, TXB, RXA, RXB, Ground | Data A, Data B, Ground |
| Bustopologie | Point-to-Point | Point-to-Point | Multipoint |
| Maximal verbundene Geräte | 1 | 10 (im Empfangsmodus) | 32 |
| Maximale Länge | 15Meter bei 9600bit/s | 1,2km bei 100kbit/s | 1,2km bei 100kbit/s |
| Maximale Datenrate | 1Mbit/s | 10Mbit/s | 10Mbit/s |
| Empfindlichkeit des Empfängers | ±3Volt | ±200Millivolt | ±200Millivolt |
Tabelle2: Diese Tabelle zeigt einen Vergleich der Merkmale der Standards RS-232, RS-422 und RS-485. (Quelle der Tabelle: DigiKey)
Die Standards RS-422 und RS-485 unterscheiden sich darin, dass RS-485 für bis zu 32-Transceiver (über Bus-Extender können weitere hinzugefügt werden) geeignet ist, während RS-422 auf lediglich 10Empfänger am Bus beschränkt ist. RS-485 im Vollduplex-Modus erfordert vier Drähte im Vergleich zu zwei Drähten für den Halbduplex-Betrieb und RS-422 (Abbildung6).
Abbildung6: Diese Abbildung zeigt die Vollduplex- (links) und Halbduplex-Topologien einer RS-485-Schnittstelle. Der Computer bzw. das Master-Gerät ist in rot dargestellt, alle anderen Geräte in blau. (Bildquelle: Texas Instruments)
Bei der Verdrahtung des differenziellen Busses werden für jede Sende- oder Empfangssignalleitung zwei Leiter verwendet (siehe Abbildung). Für den Vollduplex-Betrieb sind vier Drähte erforderlich, für den Halbduplex-Betrieb lediglich zwei. Aufgrund der höheren Geschwindigkeit sowohl von RS-422 als auch von RS-485 müssen die Übertragungsleitungen an beiden Enden abgeschlossen werden. Für Twisted-Pair-Leitungen betragen die Abschlusswiderstände RT 120Ohm (Ω). Wie vielleicht anhand der Dual-UART-Konfiguration des Schnittstellen-IC des TL16C752D bereits vermutet, handelt es sich um einen RS-485-Modus. Aus diesem Grund verwenden viele UARTs und die zugehörigen Leitungstreiber die duale Konfiguration.
Die Spannungspegel auf der Senderseite betragen ±6Volt für RS-422, wohingegen die für RS-485 -7Volt bis +12Volt betragen. Die Empfindlichkeit auf der Empfängerseite beträgt für beide Standards ±200Millivolt (mV).
Fazit
Die drei seriellen Schnittstellen RS-232, RS-422 und RS-485 bieten mehrere Auswahlmöglichkeiten für eine robuste serielle Kommunikation über kleine und große Entfernungen. UARTs bilden die Basis für alle drei Standards und erleichtern die Implementierung einer seriellen Kommunikation in Designs, insbesondere in solche für anspruchsvolle Industrieumgebungen.
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