BB-erklärt serielle Schnittstellen Teil 2

Black Box erklärt serielle Schnittstellen Teil 2
Im ersten Teil hatten wir uns ausgiebig mit der meist benutzten Schnittstelle RS232
beschäftigt.
RS232 hat allerdings auch einige Nachteile. Die eingeschränkte Geschwindigkeit, anfangs
nur bis 19,2 Kbps, die fehlende Möglichkeit einer Mehrpunktverbindung und die
eingeschränkte Reichweite ließen schnell den Ruf nach Schnittstellen laut werden, die diese
Lücken ausfüllen sollten.
1.1 Serielle Schnittstelle RS422
RS422 (EIA422) ist eine dieser Schnittstellen. Sie entspricht funktionell ITU V.24, X.21 und
X.24 (DIN 66020 Teil 1 + 2), und elektrisch ITU V.11/X.27 (DIN 66259 Teil 3).
Mit dieser Schnittstelle werden sowohl höhere Reichweiten, als auch größere
Übertragungsraten erreicht. Je nach verwendeter Leitung: 10 Mbps auf ca. 10 bis 20 Meter,
bzw. 100 Kbps bis 1.200 Meter, die Maximalwerte aber nur durch die Verwendung eines
Abschlusswiderstandes (üblicherweise 100 bis 200 Ohm).
Abb.1: RS422 Übertragungsraten in Abhängigkeit der Reichweite
Auch können an einem Sender bis zu 10 Empfänger (Bussystem) unidirektional
angeschlossen werden.
Im Gegensatz zur erdunsymmetrischen (unbalanced), Eindraht- (single ended) Schnittstelle
RS232, handelt es sich bei RS422 um eine erdsymmetrische (balanced), Zweidraht(differential) Schnittstelle. Dies bedeutet, pro Signal werden zwei, miteinander
korrespondierende, verdrillte Leitungen benutzt (bezeichnet mit A und B).
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Optional kann eine zusätzliche Masseleitung vorhanden sein. Dies macht aber eher weniger
Sinn, da durch den Verzicht auf einen Massebezugspegel auch unterschiedliche
Erdpotentiale die Spannungspegel nicht beeinträchtigen können. Wenn überhaupt, sollte die
Masse nur auf einer Seite aufgelegt sein.
Die Treiberbausteine bei RS422 verarbeiten TTL-Pegel (Transistor Transistor Logic).
Logischer
Sender
Empfänger
Sender
Empfänger
Pegel
positive Logik positive Logik negative Logik negative Logik
“1”
2,4 V ≤ - ≤ 5 V 2,0 V ≤ - ≤ 5 V 0 V ≤ - ≤ 0,4 V 0 V ≤ - ≤ 0,8 V
“0”
0 V ≤ - ≤ 0,4 V 0 V ≤ - ≤ 0,8 V 2,4 V ≤ - ≤ 5 V 2,0 V ≤ - ≤ 5 V
Tab.1: TTL-Pegel Definition
Der TTL-Eingangspegel gibt das Signal auf Leitung A als positive Spannung (z.B. 5 V), und
auf Leitung B etwa 0 V, umgekehrt beim invertierten Signal. Die Differenzspannung beträgt
beim Sender mindestens 2 V. Beim Empfänger wird dann eine Spannungsdifferenz > +0,2 V
als High-Pegel (ON = logisch 0 = A > B) interpretiert und eine Spannungsdifferenz < -0,2 V
als Low-Pegel (OFF = Logisch 1 = B > A). Als Ausgangspegel benutzt der Empfänger wieder
TTL.
Eine sichere Übertragung, auch über große Entfernungen, wird durch die Unterscheidung in
positive und negative Differenzspannung gewährleistet, auch wenn die ankommende
Signalspannung durch die Leitungswiderstände sehr klein geworden ist.
Abb.2: RS422 - Vollduplex
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RS422 arbeitet mit einem maximalen Strom von 150 mA. Einen genormten Stecker gibt es
bei RS422 nicht. Es werden sowohl DB9, DB15, DB25 wie auch DB37 Stecker verwendet.
Am gebräuchlichsten ist aber eine 4 oder 5 polige Steckleiste.
⊕ ⊕ ⊕ ⊕
TX+
TX- RX+
RX-
Abb. 3: Steckleiste
1.2 Serielle Schnittstelle RS423
RS423 entspricht ebenfalls funktionell ITU V.24, X.21 und X.24 (DIN 66020 Teil 1 + 2),
elektrisch allerdings ITU V.10, X.26 (DIN 66259 Teil 2). Diese Schnittstelle verbindet die
Eigenschaften von RS232 und RS422.
Auch RS423 ist eingeschränkt busfähig, ein Sender und bis zu zehn Empfänger sind
möglich. Bei gleichen Entfernungen wie bei RS422 sind jedoch nur Datenraten von 1 Kbps
bei 1.200 Meter und 100 Kbps bei 10 bis 20 Meter möglich.
RS423 ist, wie RS232, eine erdunsymmetrische Schnittstelle, die die gemeinsame
Rückleitung als Referenzpegel nutzt. Sie ist aber nicht identisch mit der Masse des
Empfängers. RS423 ist eine unidirektionale (Halbduplex) Verbindung.
Abb.4: RS423 - Halbduplex
Auch bei RS423 beträgt der Strom 150 mA. Spannungen zwischen +3,6 und +6 Volt werden
als logische 0, und zwischen –3,6 und –6 Volt als logische 1 interpretiert. Die Steuersignale
arbeiten mit der gleichen Logik wie bei RS232. Der Empfänger wiederum arbeitet genauso
wie bei RS422 mit einer Differenzspannung.
Auch bei RS423 gibt es keine genormten Stecker. Es werden sowohl DB9, DB15, DB25,
DB37, MMJ, RJ** und Steckleisten benutzt.
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Signal
Shield (A)
Transmit Data (A)
Receive Data (A)
Request to Send (A)
Clear to Send (A)
Data Set Ready (A)
Signal Ground
Received Line Signal Detect [DCD] (A)
Receive Timing (B)
Receive Line Signal Detect (B)
External Timing (B)
Transmit Timing (B)
Clear to Send (B)
Transmit Data (B)
Transmit Timing (A)
Receive Data (B)
Receive Timing (A)
Local Loopback
Request to Send (B)
Data Terminal Ready (A)
Remote Loopback
Data Set Ready (B)
Data Terminal Ready (B)
External Timing (A)
Test Mode Indicator
Signal Rate Indicator
Incoming Call
Select Frequency
Receive Common
Terminal in Service
Select Standby
Signal Quality
New Signal
Standby / Indicator
Send Common
DB25
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
DB37
1
4
6
7
9
11
19
13
26
31
35
23
27
22
5
24
8
10
25
12
14
29
30
17
18
2
15
16
20
28
32
33
34
36
37
Tab.2: RS423 Pinning
Da die Datenübertragungsraten mittlerweile auch von RS232 erreicht werden und die
Distanzen sowohl von RS422 als auch von RS485 bedient werden können, wird die RS423Schnittstelle heute kaum noch benutzt.
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1.3 Serielle Schnittstelle RS485
RS485 (EIA485 / ISO8482) ist, neben RS232, heute die meist benutzte serielle Schnittstelle.
Sie stellt eine Weiterentwicklung von RS422 dar und ist daher weitestgehend mit RS422
identisch. Es können jedoch bis zu 32 Teilnehmer (Sender und Empfänger) bidirektional an
einem Bussystem angeschlossen werden. RS485 bildet die Basis für die meisten
Feldbussysteme. Der RS485-Bus kann sowohl auf einem Zwei- wie auch auf einem
Vierdrahtsystem aufgebaut werden (bei 2-Draht nur Halbduplex).
Normalerweise ist der RS485-Bus für Leitungslängen bis 500 Meter spezifiziert. Mit
modernen kapazitäts- und dämpfungsarmen Kabeln, sowie mit Leitungstreibern sind aber
Längen bis zur RS422-Spezifikation möglich. Stichleitungen dürfen nicht länger als 5 Meter
sein.
Abb.5: RS485 4-Draht Multi-Master Verbindung
Die RS485-Spezifikation unterscheidet zwischen Sender und Empfänger. Bei maximaler
Belastung muß ein Sender eine Differenzspannung zwischen +1,5 Volt und +5 Volt für eine
logische 0 und für eine logische 1 zwischen –5 Volt und –1,5 Volt liefern. Bei voller Belastung
eines Senders, wird dieser mit 54 Ohm abgeschlossen. Der Wert resultiert aus der
Parallelschaltung von 32 Teilnehmern und den notwendigen Abschlusswiderständen der
Leitung. Die Leerlaufspannung des Senders soll kleiner 6 Volt sein.
Der Kurzschlußstrom beträgt maximal 250 mA, da bei gleichzeitigem Senden zweier
Teilnehmer die ohmsche Belastung jedes Senders weit unterhalb von 54 Ohm liegt.
Spannungen von ± 0,2 Volt müssen vom Empfänger noch als Signalspannung erkannt
werden. Bezogen auf Masse muß das Potential eines einzelnen Leiters im Intervall von –7
Volt bis +12 Volt liegen.
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Wie bei jedem Bussystem spielt die Terminierung mit Abschlusswiderständen eine wichtige
Rolle. Der Abschlusswiderstand gleicht die Impedanz eines Anschlusses der Impedanz der
benutzten Leitung an. Dies ist notwendig, da sonst das Signal, oder ein Teil davon, in die
Leitung zurückreflektiert wird. Die Impedanz von Sender, Leitung und Empfänger muss
einander angeglichen sein, um Reflektionen zu verhindern.
Ob, und welcher Abschlusswiderstand notwendig ist, hängt wesentlich von der Kabellänge
und der Datenrate ab. Einen gängigen Wert stellt 120 Ohm dar. Abschlusswiderstände unter
90 Ohm sollten nicht verwendet werden.
Man unterscheidet die parallele und die AC-gekoppelte Terminierung.
Abb.6: Parallele Terminierung
Abb.7: AC-gekoppelte Terminierung
Neben den Abschluß-Widerständen werden meist zusätzlich sogenannte Pullup- und
Pulldown-Widerstände von z. B. 330 Ohm (390 Ohm) verwendet, um im Ruhezustand einen
definierten Pegel auf den Leitungen zu erhalten.
Abb.8: Vereinfachte Darstellung einer 2-Draht-RS485 Mehrpunktverbindung
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Beispiele
Beispiel 1: RS485 Bus mit 10 Teilnehmern und 120 Ohm Terminierung
Jeder RS485-Teilnehmer hat einen Eingangswiderstand von 12 KΩ. 10 Teilnehmer
parallelgeschaltet ergeben somit 1200 Ω. Die beiden Abschlusswiderstände von jeweils 120
Ω ergeben zusätzlich 60 Ω, daraus resultieren 57 Ω. Aufgrund der Parallelschaltung spielt
der Eingangswiderstand der Teilnehmer eine untergeordnete Rolle, da hochohmig.
Um mindestens 200 mV als Differenzspannung zwischen den Leitungen zu erhalten, ist
somit ein Strom von 3,5 mA notwendig. Um diesen Strom aus der Versorgungsspannung
von 5 Volt zu erzeugen, benötigen wir einen Reihenwiderstand von 1428 Ω oder weniger.
Abzüglich der 57 Ω erhalten wir 1371 Ω. Damit ergibt sich ein maximaler PullUp- und
Pulldown-Widerstand von jeweils 685 Ω.
Beispiel 2: RS485 Bus mit 32 Teilnehmern ohne Terminierung.
32 Teilnehmer mit jeweils 12 KΩ ergeben 375 Ω, dadurch benötigen wir einen Strom von
0,53 mA, um unsere Differenzspannung zu erhalten. Hier brauchen wir maximal 9375 Ω, um
aus den 5 Volt diesen Strom zu erzeugen. Wir sehen, dass hier nur ein kleiner Strom
notwendig ist.
Bei RS485 sind alle Sender und Empfänger parallelgeschaltet an die Doppeladern
angeschlossen. Dadurch kann immer nur ein Sender auf den Bus zugreifen. Würden zwei
Sender gleichzeitig übertragen, wären Kurzschlüsse die Folge.
Dies wird durch die Verwendung von TRISTATE-TRANSCEIVERn verhindert. Wie der Name
schon sagt, können diese Treiber drei logische Zustände am Ausgang annehmen.
Dazu verwendet dieser Treiber neben Signaleingang und –ausgang noch einen
Steuereingang. Wird nun am Steuereingang ein High-Pegel erkannt, wird der Signalausgang
in einen hochohmigen Zustand (Z) versetzt (es existieren auch Treiber, die mit einem LowPegel arbeiten). Intern werden dadurch die Ausgangspins von der Sendeschaltung getrennt
und dem Bus wird damit simuliert, es sei nur ein Sender vorhanden.
Signalinput
High
Low
------
Controlinput
Low
Low
High
Signaloutput
High
Low
Z
Signalinput
High
Low
------
Controlinput
High
High
Low
Signaloutput
High
Low
Z
Tab.3: TRISTATE Logik Tabellen
Einen solchen Bus zu steuern, bedarf es klarer Software-Befehle. Hierzu verwendet der
RS485-Bus spezielle Steuercodes.
Code
00h
01h
02h
03h
04h
05h
06h
Funktion
Globaler Reset
Einzelner, adressierter Reset
Empfangsaufforderung an Adresse
Sendeaufforderung an Adresse
Globale Triggerung
Triggerung an Adresse
Statusabfrage an Adresse
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00h löst einen Reset für alle am Bus angeschlossenen Geräte aus, unabhängig von der
Adresse.
01h löst einen Reset des adressierten Gerätes aus.
02h versetzt das adressierte Gerät in Empfangsbereitschaft; nach Code und Adresse erfolgt
dann zuerst die Größe des Datenblocks
03h zwingt das adressierte Gerät zur Sendung, dazu sendet dieses zuerst die
Datenblockgröße
04h dient der Triggerung aller angeschlossener Geräte
05h triggert nur das adressierte Gerät
06h zwingt das adressierte Gerät zur Sendung eines Statusbytes, in dem dem Controller der
Zustand des Gerätes übermittelt wird.
Durch die jeweilige Sendung der Datenblockgröße wissen alle angeschlossenen Stationen,
ab wann wieder der nächste Steuercode zu erwarten ist.
1.4 Serielle Schnittstelle RS449
RS449 (EIA449) ist nicht im eigentlichen Sinn eine Schnittstelle, sondern stellt die
funktionale und mechanische Spezifikation für DB37 und DB9 Stecker dar. Sie wird bei
RS422 und RS423 angewandt.
Pin
1
2
3
4
5
Signal/Circuit
Name*
Mnem. V.24
Circ.
Ref.
Shield AA
101
Ground
Secondary Rcvr. Ready SRR
Control, from DCE
Secondary Send Data
SSD
Data, to DCE
Secondary Rcv. Data
119
Data, from DCE
Signal Ground SG
102
Signal
Function/
Direction
Pin
6
122
7
118
8
SRD
9
Signal/Circuit
Name*
Mnem. V.24
Circ.
Ref.
Receive Common
RC
Ground
Secondary Rq. to Send SRS
Control, to DCE
Secondary Clr. to Send SCS
Control, from DCE
Send Common SC
102a
Signal
Function/
Direction
102b
120
121
Ground
Ground
Abb.9:DB9 Stecker und Pin-out
Das Pinning des DB37-Steckers findet sich unter RS423.
1.5 Serielle Schnittstelle RS530
RS530 (EIA530) ist ebenfalls, wie RS449, eine Pinning-Spezifikation für DB25 (siehe
RS423). RS530 sollte den DB37-Stecker gemäß RS449 ersetzen und kann genutzt werden
für RS422, RS423, V.35 und X.21.
X.21 (ITU-Standard) ist, elektrisch betrachtet, sowohl eine symmetrische, wie auch
unsymmetrische Schnittstelle der synchronen Datenübertragung zwischen DTE und DCE in
öffentlichen Datennetzen. Sie entspricht funktionell RS422/RS423 gemäß X.24 und
elektrisch dementsprechend entweder unsymmetrisch X.26 oder symmetrisch X.27. X.21
benutzt üblicherweise DB15-Stecker gemäß ISO 4903.
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Pin Signal/Circuit
Name2
1
2
3
Shield
Transmit A
Control A
X.21
Circ.
Ref.
SHD
T(A)
C (A)
4
Receive A
R (A)
5
Indication A
I (A)
6
S (A)
7
Signal Element
Timing A
Byte Timing A
8
Signal Ground
G
B (A)
V.24
Circ.
Ref.
101
103
105
Signal
Function/
Direction
Ground
Data, to DCE
Control, to
DCE
104 Data, from
DCE
109 Control, from
DCE
114 Timing, from
DCE
(N/A) Timing, from
DCE
102 Ground
Pin
Signal/Circuit
Name2
X.21
Circ.
Ref.
T (B)
C (B)
R (B)
I (B)
V.24
Circ.
Ref.
103
105
104
109
Signal
Function/
Direction
Data, to DCE
Control, to DCE
Data, from DCE
Control, from
DCE
Timing, from
DCE
Timing, from
DCE
9
10
11
12
Transmit B
Control B
Receive B
Indication B
13
14
Signal Element
Timing B
Byte Timing B
15
Reserved future international use
S (B) 114
B (B) (N/A)
Abb.10: DB15 Stecker und Pin-out
V.35 (ITU) wurde ursprünglich für die Datenübertragung mit 48 Kbps bei 60 bis 108 kHz
Bandbreite konzipiert, aber später auch für höhere Übertragungsraten genutzt.
Die maximalen Leitungslängen betragen 600 bis 1.200 Meter bei bis zu 100 Kbps und
verkürzen sich dann bis zu 90 Meter bei 10 Mbps. Als Stecker wird ein M/34 (Winchester)
verwendet.
Pin1 Signal/Circuit Name2,3
Abbr.3,4 V.24 Signal
Circ. Function/
Ref. Direction
A
Shield
SHD
101 Ground
B
Signal Ground
SGND 102 Ground
C
Request to Send
RTS
105 Control, to
DCE
D
Clear to Send
CTS
106 Control,
from DCE
E
Data Set Ready
DSR
107 Control,
from DCE
F
Rcvd. Line Sgnl. Detect. RLSD 109 Control,
from DCE
H
Data Terminal Ready5 DTR
108.2 Control, to
DCE
J
Calling Indicator6
CI
125 Control,
from DCE
L
Local Loopback6
LL
141 Control, to
DCE
N
Remote Loopback6
RL
140 Control, to
DCE
(K, M, Z, Bb through FF, and Mm are reserved for
future int’l standardization. HH through LL are reserved
for country-specific standards.)
©
Pin Signal/Circuit Name2,3
P
Send Data A
Abbr.3,4 V.24
Circ.
Ref.
TD A
103
R
Receive Data A
RD A
104
S
Send Data B
TD B
103
T
Receive Data B
RD B
104
U
Serial Clk. Tmit.
SCTE A 113
Extnal. A5
Serial Clock Receive A SCR A 115
V
W
X
Serial Clk. Tmit.
SCTE B 113
Extnal. B5
Serial Clock Receive B SCR B 115
Y
Serial Clock Transmit A SCT A 114
AA Serial Clock Transmit B SCT B 114
NN Test Mode6
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TM
142
Signal
Function/
Direction
Data, to
DCE
Data, from
DCE
Data, to
DCE
Data, from
DCE
Timing, to
DCE
Timing,
from DCE
Timing, to
DCE
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1
V.35 pins designated with two capital letters (“AA”, ”BB”, etc.) can be designated with single lowercase letters
(“a”, “b”, etc.) instead.
2
Signals whose names end with A and B are balanced; they are positive or negative with respect to each other
depending on mark or space conditions. All non-ground signals whose names don’t end with A or b are
unbalanced.
3
The same alternative names and abbreviations that are sometimes used to describe some of the signals in EIA232-D are also sometimes used to describe the analogous V.35 signals.
4
These are de-facto standard abbreviations: the official V35 standard does not specify abbreviations for the signal
names.
5
These signals are officially optional but are almost always implemented–almost always on these pins.
6
These signals are officially optional, but most manufacturers either don’t implement them or implement them on
different pins.
Abb.11: M/34 Stecker und Pin-out
V.35 ist sowohl eine balanced, wie auch eine unbalanced Schnittstelle. Die Steuersignale
werden unbalanced, wie bei RS232, übertragen. Dabei beträgt die Ausgangsspannung –9
Volt (logische 1) und +9 Volt (logische 0). Davon müssen beim Empfänger noch mindestens
–3 Volt bzw. +3 Volt ankommen.
Die Datensignale und das Clocking werden als balanced Signale übertragen. Dabei
entspricht eine logische 1 einem Spannungszustand von +0,35 Volt auf Leitung B und –0,2
Volt auf Leitung A. Eine logische 0 entspricht konsequenterweise +0,35 Volt auf Leitung A
und –0,2 Volt auf Leitung B. Die Spannungsdifferenz für die unterschiedlichen Pegel beim
Empfänger beträgt 0,01 Volt.
Die Schnittstelle V.35 verliert heute allerdings immer mehr an Bedeutung und wird nur noch
selten benutzt.
2. Anwendungsbeispiele:
Beispiel 1: Verlängerung RS485 bis zu 10 km
Von einem Host sollen vier RS485 Verbindungen über vorhandene Multimode-GlasfaserStrecken bis zu 10 km verlängert werden. Hierzu eignen sich RS485-Fiberoptikmodems (z.B.
Black Box ME615A) hervorragend.
Abb.12: Verlängerung RS485 bis zu 10 km
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Beispiel 2: Tunneling von RS422-Verbindung über vorhandenes LAN
Eine RS422-Verbindung soll über das vorhandene LAN getunnelt werden. Hierzu eignen
sich Device-Server (z.B. Black Box LEB400A-1) sehr gut.
Abb.13: Tunneling von RS422-Verbindung über vorhandenes LAN
3. Ausblick
Im dritten Teil werden wir uns dann mit TTY, USB und Firewire beschäftigen.
Joachim Botsch
Tech Support
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