رابط های سریال Serial Interfaces

نکته آموزشی رابط های سریال (Application Learn ABAL0500)

1. مقدمه

در دنیای امروزه بکارگیری و استفاده از مدارات نقش بسزایی در زندگی بشر ایفا می کنند، بنحوی که پیاده سازی این مدارات می تواند به دو صورت آنالوگ و دیجیتال انجام گیرد. با گذشت زمان مدارات دیجیتال بدلیل سادگی گسترش بیشتری پیدا کرده بنحوی که می تواند جایگزین سیستم های آنالوگ باشد.

در سیستم های دیجیتال اطلاعات بصورت بیت هایی از صفر و یک تولید می شود که در هر انتقال؛ بسته بندی داده، تعداد بیتهای تشکیل دهنده، ابتدا و انتهای داده بصورت مجموعه قوانین یا پروتکل بین دستگاه فرستنده و گیرنده مشخص می باشد. هر یک از سیستم ها با پردازش تعداد بیت های صفر و یک می تواند به مفهوم داده ها دست پیدا کند.

برای اینکه مدارات مجزا بتوانند اطلاعات خود را با یکدیگر مبادله کنند باید از یک قانون یا یک پروتکل ارتباطی مشترک استفاده کنند, این انتقال اطلاعات یا انتقال داده می تواند بصورت سری و یا موازی انجام گیرد. انتقال اطلاعات ممکن است بین رایانه، دستگاه، میکروکنترلر و یا دیگر تجهیزات انجام گیرد.

هدف از این نکته آموزشی مختصر شرح سیستم های انتقال داده سریال می باشد. در این نکته آموزشی سعی کرده ایم تا نکات مهم مربوط به هر یک از رابط های سریال TTL, USB, RS232, RS485, RS422 که یک طراح سیستم به آن نیاز دارد را پوشش دهیم. تمامی این روش ها از سیستم های انتقال داده سریال پیروی می کنند که هر یک دارای ویژگی خاص هستند. در اینجا برای ارائه بهتر این استانداردها از واژه های مربوط به آنها استفاده شده است. در این نکته آموزشی ابتدا چند اصطلاح و روش شرح داده شده، سپس توضیح استانداردها بازگو شده و در نهایت مقایسه آنها انجام گرفته است.این نکته آموزشی حاصل تحقیق، مطالعه و تجربه ما می باشد که در طی گذشت چند سال در شرکت فنی مهندسی آبی برد جمع آوری شده و حال در اختیار شما عزیزان قرار گرفته است، انشالله موارد ذکر شده بتواند بر دانش شما افزوده و سوالات شما را پاسخ گو باشد. امید است با تلاش و پشتکار در راه علم پویا باشیم.

2. تبادل سری و موازی داده

تبادل داده به دو روش سری و موازی انجام می گیرد. هر یک از این دو روش دارای معایب و مزایایی می باشد که می تواند در قالب مقایسه بیان شود. در روش موازی تعداد بیت مشخصی از اطلاعات با تعداد خط مشخصی بصورت همزمان تبادل می یابد، در حالیکه در روش سری در یک زمان تنها یک بیت از اطلاعات با یک و یا چند خط بصورت پشت سر هم تبادل می شود. از این رو سرعت تبادل داده در روش موازی بیشتر از روش سری بوده اما استفاده از تعداد خط های زیاد در روش موازی شلوغی مسیر، پیچیدگی نصب و هزینه سیم کشی بیشتری را به همراه خواهد داشت. همچنین در انتقال موازی طول مسیر داده ها محدود بوده و تنها می تواند در حدود چند متر باشد، در حالیکه در انتقال سری این طول مسیر می تواند طولانی تر و در حد چند صد متر باشد. برای مثال؛ درگاه پرینتر رایانه با 25 پین برای انتقال همزمان 8 بیت داده یک نمونه از انتقال موازی می باشد, و درگاه سریال رایانه با 9 پین برای انتقال یک بیت داده در یک لحظه نمونه ای از انتقال سری می باشد.

3. انتقال داده

بطور کلی سه روش برای انتقال داده بین دستگاه فرستنده و گیرنده قابل بررسی می باشد. روش انتقال یک طرفه یا Simplex، روش انتقال نیم دو طرفه یا HalfDuplex، روش انتقال تمام دو طرفه یا FullDuplex.

3.1  انتقال یک طرفه:

در این روش اطلاعات تنها در یک جهت انتقال می یابد.

3.2  انتقال نیم دوطرفه:

در این روش اطلاعات می تواند بصورت غیر همزمان در هر دو جهت انتقال یابد. در لحظه اول انتقال از دستگاه شماره 1 به دستگاه شماره 2 و در لحظه دوم انتقال از دستگاه شماره 2 به دستگاه شماره 1 می تواند انجام گیرد.

3.3  انتقال تمام دوطرفه:

در این روش اطلاعات می تواند بصورت همزمان در هر دو جهت انتقال یابد.

4. شبکه بندی دستگاه

شبکه بندی و ارتباط دستگاه ها به یکدیگر با توجه به ویژگی آنها می تواند بصورت یک به یک، چند نقطه ای، چند قطره ای و ستاره پیکربندی شود. شرح این چهار پیکربندی در زیر آمده است.

4.1  شبکه بندی یک به یک:

شبکه بندی یک به یک و یا Peer to Peer  ارتباطی است که در آن تنها دو دستگاه به یکدیگر متصل می شود. در این روش با توجه به نوع دستگاه انتقال داده می تواند بصورت یک طرفه، نیم دوطرفه و یا تمام دوطرفه باشد. در این شبکه بندی ارتباط بین دو دستگاه انجام می گیرد، بنحوی که هر یک از دستگاه ها می تواند هم فرستنده و هم گیرنده باشد. پیکربندی این سیستم بصورت زوج سیم می باشد و دستگاه ها می توانند بطور همزمان ارسال و دریافت داشته باشند. در این روش فرستنده و گیرنده در تمامی حالات بدون تاخیر فعال می باشند و نیازی به حالت امپدانس بالا یا High Impedance نمی باشد.

4.2  شبکه بندی چند قطره ای:

شبکه بندی چند قطره ای ویا Multidrop ارتباطی است که در آن چند دستگاه به یکدیگر متصل می شوند. در این روش با توجه به نوع دستگاه انتقال داده می تواند بصورت یک طرفه، نیم دوطرفه و یا تمام دوطرفه باشد. مسیر ارتباطی را گذرگاه یا BUS نامیده و اتصال هر دستگاه به گذرگاه را یک گره یا Node می نامند. در این شبکه بندی یکی از دستگاه ها بعنوان اصلی یا Master و مابقی بعنوان فرعی یا Slave تعریف می شود، بنحوی که ارتباط بین یک دستگاه اصلی با چند دستگاه فرعی انجام می گیرد. دستگاه اصلی امکان ارتباط با تمامی دستگاه های فرعی را دارد، ولی هر دستگاه فرعی تنها می تواند با دستگاه اصلی ارتباط داشته باشد طوری که دیگر دستگاه ها نمی توانند به این ارتباط گوش فرا دهند. دستگاه اصلی بر مبنای پرسش و پاسخ بسته درخواستی را بر روی گذرگاه در زمان های خاص و پشت سر هم ارسال می کند تا دستگاه فرعی مورد نظر با خروج از حالت امپدانس بالا به آن پاسخ دهد. بسته درخواستی شامل آدرس و وظایف دستگاه فرعی می باشد. پیکربندی این سیستم بصورت چهار سیمه می باشد و دستگاه اصلی می تواند بطور همزمان ارسال و دریافت داده داشته باشد. همچنین هر دستگاه فرعی باید دارای وضعیت حالت سوم یا Tristate در فرستنده خود باشد تا در مواقع بیکاری بصورت امپدانس بالا یا High Impedance ظاهر شود. بدین معنی که در هر لحظه تنها یک دستگاه فرعی می تواند پاسخ را برای دستگاه اصلی ارسال کند. به همین دلیل کمی تاخیر در دستگاه  گیرنده مورد نیاز است تا بر روی شبکه و در نتیجه بر روی عملکرد دستگاه اصلی اثر نگذارد.

4.3  شبکه بندی چند نقطه ای:

شبکه بندی چند نقطه ای ویا Multipoint ارتباطی است که در آن چند دستگاه به یکدیگر متصل می شوند. در این روش با توجه به نوع دستگاه انتقال داده می تواند بصورت یک طرفه، نیم دوطرفه و یا تمام دوطرفه باشد. مسیر ارتباطی را گذرگاه و اتصال هر دستگاه به گذرگاه را یک گره یا Node می نامند. در این شبکه بندی یک و یا چند دستگاه بصورت اصلی یا Master و مابقی بعنوان فرعی یا Slave تعریف می شوند، بنحوی که ارتباط بین چند دستگاه اصلی و فرعی انجام می گیرد. در این روش تمامی دستگاه ها می توانند با یکدیگر تبادل اطلاعات داشته باشند از این رو به ارتباط یکدیگر گوش فرا خواهند داد. دستگاه اصلی بر مبنای پرسش و پاسخ بسته های درخواستی را بر روی گذرگاه در زمان های خاص و پشت سر هم ارسال کرده تا دستگاه فرعی مورد نظر با خروج از حالت امپدانس بالا به آن پاسخ دهد. بسته درخواستی شامل آدرس و وظایف دستگاه فرعی می باشد. پیکربندی این سیستم بصورت دو سیمه می باشد و هر دستگاه می تواند در زمان مشخص فرستنده و یا گیرنده باشد. همچنین هر دستگاه باید دارای وضعیت حالت سوم یا Tristate باشد تا در مواقع بیکاری بصورت امپدانس بالا یا High Impedance ظاهر شود. بدین معنی که در هر لحظه بر روی شبکه تنها یک دستگاه فرستنده می تواند با چند دستگاه گیرنده فعال باشد. به همین دلیل کمی تاخیر در دستگاه گیرنده مورد نیاز است تا بر روی شبکه و در نتیجه بر روی عملکرد دستگاه اصلی اثر نگذارد.

4.4  شبکه بندی ستاره:

شبکه بندی ستاره یا Tierd Star Topology ارتباطی می باشد که در راس آن یک هاب ریشه و در مرکز آن یک هاب ساده برای گسترش قرار دارد. هاب ریشه وظیفه دارد تا تبادل داده بین میزبان و دیگر دستگاه ها را برقرار کند، و هاب ساده جهت اتصال دستگاه های جانبی به هاب ریشه مورد استفاده قرار می گیرد. در هر شبکه بندی ستاره با یک هاب ریشه برای هر لحظه تنها یک دستگاه می تواند با میزبان تبادل داده داشته باشد. در این شبکه بندی ارتباط بین یک میزبان یا Host با یک و یا چند دستگاه یا Device تعریف می شود. در این روش با توجه به نوع دستگاه و میزبان انتقال داده می تواند بصورت یک طرفه، نیم دوطرفه و یا تمام دوطرفه باشد. شروع ارتباط می تواند از طرف دستگاه جانبی و یا تنها از طرف میزبان تعریف شده باشد. پیکربندی این سیستم با استفاده از کابل ها و هاب های استاندارد انجام می گیرد.

5. استاندارد سریال

روش تبادل داده بصورت سری در مقایسه با روش موازی کاربرد بیشتری دارد از این رو در این نکته آموزشی تمرکز بر روی روش سری گذاشته و از توضیح روش موازی خودداری می شود. در روش سری یا همان سریال چندین استاندارد تعریف شده که کاربر با توجه به نیاز خود و ویژگی آنها یکی را انتخاب و پیاده سازی می کند. از پرکاربرد ترین روش های سریال می توان به استاندارد سریال TTL، استاندارد سریال USB، استاندارد سریال RS232، استاندارد سریال RS485 و استاندارد سریال RS422 اشاره داشت. هر یک از این استانداردها دارای طول مسیر، تعداد دستگاه، نرخ داده و یا سرعت انتقال داده، نوع کانکتور و سطح ولتاژ عملکرد متفاوت و مشخصی می باشند که نیاز است بطور جداگانه بررسی گردد.

5.1 استاندارد سریال تی تی ال

در این استاندارد کانکتور خاصی تعریف نشده است و طراح می تواند خود نوع آن را مشخص کند. تعداد دستگاه های متصل شده با توجه به نیاز کاربر و مشخصه مدار داخلی می تواند به تعداد دو عدد و یا بیشتر پیاده سازی شود. حداکثر فاصله مسیر خیلی کوتاه بوده که در مکان های دارای نویز محدود به چند سانتی متر بر روی فیبر مدار چاپی است. سرعت انتقال داده با توجه به مشخصه دستگاه، نویز محیط و مسیر سیگنال ها انتخاب می گردد. سطح ولتاژ کاری وابسته به عملکرد دستگاه و مدار می باشد که از رایج ترین آنها می توان به ولتاژهای 0-5 ولت، 0-3.3 ولت و 0-2.8 ولت اشاره کرد. در این استاندارد چند روش وجود دارد که انتقال داده با توجه به آنها بصورت یک طرفه، نیم دوطرفه و یا تمام دو طرفه انجام می گیرد. روش I2C و USART از دو خط و روش SPI از سه خط برای تبادل داده استفاده می کند، همچنین در برخی مواقع نیاز به خط انتخاب دستگاه می باشد، مسیر زمین نیز برای تمامی آنها الزامی می باشد. این استاندارد با توجه به سطح ولتاژ پایین توان مصرفی کمی خواهد داشت، اما همین مسئله نویز پذیری آن را افزایش می دهد. برای مثال؛ اگر دو میکروکنترلر که دارای ویژگی سریال است را در اختیار داشته باشید می توانید آنها را با استاندارد سریال TTL به روش USART به یکدیگر ارتباط دهید. بدین ترتیب داده براحتی بین آنها تبادل پیدا می کند. این دو میکروکنترلر باید دارای سطح ولتاژ کاری یکسانی باشند تا بتوانید بطور مستقیم و بدون مدار واسط آنها ار به یکدیگر متصل کنید. در این ارتباط چون پین TXD از هر دو میکروکنترلر فرستنده و پین RXD آنها گیرنده می باشد در هنگام اتصال باید نکاتی را رعایت نمایید؛ پین TXD از میکروکنترلر اول به پین RXD از میکروکنترلر دوم و پین RXD از میکروکنترلر اول به پین TXD از میکروکنترلر دوم متصل می شود، همچنین نیاز است پین زمین و یا GND هر دو میکروکنترلر به یکدیگر متصل گردد.

برای مثالی دیگر؛ می توان به اتصال تراشه حافظه جانبی و تراشه میکروکنترلر اشاره داشت. این تراشه به روش SPI با میکروکنترلر ارتباط برقرار می کند. در این روش از طریق چهار خط SCK، MISO، MOSI و GND تبادل داده انجام می گیرد و خط دیگری با نام CS جهت انتخاب تراشه حافظه مسیرکشی می شود. با توجه به اینکه میکروکنترلر قابلیت برنامه نویسی دارد بنابراین با این روش نیز براحتی هماهنگ می شود.

5.2 استاندارد سریال یو اس بی

استاندارد سریال USB دارای سخت افزار، نرم افزار، کانکتور، سطح ولتاژ، طول مسیر و سرعت انتقال اطلاعات مشخصی است. در این استاندارد ارتباط بصورت شبکه بندی ستاره می باشد که تعداد 127 عدد دستگاه و هاب در یک چرخه قابل اتصال است. کانکتور مربوطه در دو نوع USBA برای طرف میزبان و USBB برای طرف دستگاه جانبی تعریف شده است، همچنین کانکتور نوع USBC نیز جهت سرعت و توان بالا ارائه شده است. سرعت انتقال، طول کابل و توان درگاه با توجه به نسخه های این استاندارد دستخوش تغییراتی بوده؛ در نسخه USB1.x نرخ داده 1.5 مگابیت بر ثانیه برای سرعت پایین (Low Speed) و نرخ داده 12 مگابیت بر ثانیه برای سرعت بالا (Full Speed) ثبت شده است. در نسخه USB2.0 نرخ داده 480 مگابیت بر ثانیه برای سرعت خیلی بالا (High Speed) ثبت شده است. در نسخه USB3.x نرخ داده 5 گیگابیت بر ثانیه برای سرعت ویژه Super Speed ،نرخ داده تا 10 گیگابیت بر ثانیه برای Super Speed+ و نرخ داده تا 20 گیگابیت بر ثانیه برای Super Speed+ نوع USB3.2 ثبت شده است. حداکثر طول کابل برای USB1.x (سرعت پایین) 3 متر، برای USB1.x و USB2.0 (سرعت بالا و خیلی بالا) 5 متر می باشد. در این سه سرعت، طول کابل با استفاده از 5 عدد دستگاه هاب می تواند تا حداکثر 30 متر افزایش داشته باشد. کابل مورد استفاده برای سرعت پایین از نوع شیلد پیشنهاد شده است در حالی که برای سرعت های بالاتر استفاده از کابل شیلد ضروری می باشد. در نسخه های USB3.x طول کابل بطور واضح مشخص نشده اما نیاز است مشخصات الکتریکی لازم را داشته باشد. کابل USB1  و  USB2دارای یک زوج بهم تابیده و کابل USB3 دارای سه زوج بهم تابیده است. کابل و درگاه نسخه USB2 قابلیت تطبیق پذیری با نسخه های USB1 را دارا می باشد، همچنین کابل و درگاه نسخه USB3.0 قابلیت تطبیق پذیری با نسخه های USB1 و USB2 را دارا می باشد. نوع USBC کانکتور و کابل متفاوتی داشته که از نظر ظاهری منطبق با نسخه های قبلی نمی باشد.

در استاندارد USB انتقال داده بصورت تفاضلی و با خطهای زوج بهم تابیده انجام می گیرد، این تبادل داده در نسخه USB1 و USB2 از نوع نیم دوطرفه و در نسخه های USB3 از نوع تمام دوطرفه می باشد. در استاندارد یو اس بی با اتصال دستگاه جدید، میزبان همان ابتدا عملیات سرشماری را انجام داده تا ویژگی سخت افزاری و نرم افزاری آن را شناسایی کند. سپس بهترین راه انداز را برای دستگاه جانبی انتخاب کرده و خود را با آن هماهنگ می کند. در این استاندارد تبادل داده ها با ساختار معینی در بسته ها و زمان های مشخص انتقال می یابد. همچنین جهت اطمینان از صحت داده رسیده، بسته نرم افزاری دست دهی نیز بکار برده می شود. تمامی ارتباط ها باید توسط میزبان آغاز گردد و تنها در نوع USB OTG است که دو دستگاه جانبی بدون وجود میزبان می توانند بطور مستقیم با یکدیگر ارتباط بر قرار کنند. بطور معمول تغذیه دستگاه های جانبی از طریق میزبان تامین می گردد، جریان دهی میزبان نیز با توجه به نسخه آن از 100 میلی آمپر تا 5 آمپر امکان پذیر است.

برای مثال؛ رایانه شما که دارای درگاه USB می باشد یک میزبان و حافظه فلش شما که USB غیر فعال می باشد یک دستگاه جانبی تعریف می شود. حافظه فلش می تواند بصورت مستقیم و یا توسط کابل به درگاه رایانه متصل گردد. اگر حافظه فلش و یا درگاه رایانه شما از نوع USB1.1 باشد نرخ انتقال داده بصورت سرعت پایین، اگر هر دو از نوع USB2 باشد نرخ انتقال داده بصورت سرعت بالا و یا خیلی بالا و اگر هر دو از نوع USB3 باشد نرخ انتقال داده بصورت سرعت ویژه انجام خواهد گرفت. بمحض اینکه حافظه فلش را به رایانه متصل نمایید سرشماری صورت می گیرد تا رایانه خود را با آن تطبیق دهد.

اگر رایانه شما دارای یک درگاه یو اس بی باشد و بخواهید دستگاه جانبی دیگری را نیز متصل نمایید باید توسط یک هاب استاندارد تعداد درگاه را افزایش دهید، اما توجه داشته باشید سرعت انتقال و توان درگاه رایانه بین آنها تقسیم خواهد شد.

برای مثالی دیگر؛ در نظر بگیرید جهت کنترل یک تجهیز که دارای درگاه سریالRS485  می باشد و فاصله آن طولانی و بیش از سی متر است شما یک عدد مبدل USB to RS485 را انتخاب و به آن متصل کرده اید. طرف یو اس بی از این مبدل یک دستگاه جانبی است که می تواند به دستگاه میزبان شما متصل گردد. میزبان می تواند یک دستگاه رایانه و یا یک دستگاه با درگاه یو اس بی فعال باشد. با اتصال USB مبدل به میزبان عملیات سرشماری آغاز شده تا میزبان یک آدرس مشخص را برای آن در نظر بگیرد، سپس میزبان جستجو را برای بهترین راه انداز آغاز کرده تا برنامه یا ویندوز بتواند با سخت افزار ارتباط برقرار کند. در صورتی که راه انداز مورد نظر پیدا نشود شما خود باید آن را بر روی میزبان نصب نمایید.  بدین ترتیب شما توسط درگاه USB میزبان با مبدل USB to RS485 ارتباط برقرار می کنید و این مبدل ارتباط شما با تجهیز را از طریق خطهای RS485 بر قرار می کند.

5.3 استاندارد سریال آر اس 232

استاندارد سریال RS232 دارای سخت افزار، نرم افزار، کانکتور، سطح ولتاژ، طول مسیر و سرعت انتقال اطلاعات مشخصی است. در این استاندارد ارتباط بصورت شبکه بندی یک به یک می باشد که تنها 2 دستگاه به یکدیگر متصل می گردد. حداکثر فاصله بین دو دستگاه می تواند 15 متر باشد، حداکثر نرخ انتقال داده نیز 120 کیلو بیت بر ثانیه است که در برخی موارد با استفاده از فناوری پیشرفته نرخ انتقال را افزایش می دهند. کابل مورد استفاده می تواند از نوع شیلد و یا ساده باشد. سطح ولتاژ -3 تا -25 ولت برای حالت یک منطقی و سطح ولتاژ +3 تا +25 ولت برای حالت صفر منطقی در نظر گرفته شده است. کانکتور 9 پین Male برای تجهیز DTE و Female برای تجهیز DCE تعریف می شود. در این دو کانکتور پین های RXD و TXD تبادل اطلاعات را بر عهده دارد، دو زوج پین RTS- CTS و DTR- DSR عملیات دست دهی سخت افزاری را انجام داده، پین GND سیگنال زمین را تولید می کند و دو پین دیگر بعنوان سیگنال کمکی انتقال سریع و قابل اطمینان را پیاده سازی می کند. انتقال داده بصورت تمام دوطرفه است تا در یک لحظه و بطور همزمان قادر باشد هم ارسال و هم دریافت داشته باشد. نحوه اتصال دو دستگاه DTE و DCE نیز از مشخصه های این استاندارد می باشد. اتصال دستگاه DTE به DCE بصورت مستقیم یا Straight و اتصال دستگاه DTE و یا DCE به هم نوع خود بصورت ضربدری یا Cross انجام می گیرد. در تصویر زیر نمونه ای از اتصال DTE به DTE با سیگنال دست دهی کامل و بدون سیگنال دست دهی به همراه اتصال DTE به DCE بدون سیگنال دست دهی نمایش داده شده است.

برای مثال؛ رایانه شما با داشتن درگاه سریال RS232 یک دستگاه DTE می باشد که دارای کانکتور 9 پین Male است و دستگاه مودم یا تجهیز شما که دارای کانکتور 9 پین  Femaleمی باشد یک DCE می باشد. این دو دستگاه می توانند در فاصله مسیر 15 متری از یکدیگر نصب و کابل کشی شوند تا انتقال داده با حداکثر نرخ 19200 بیت بر ثانیه را انجام دهند. بخاطر بیاورید که حداکثر نرخ انتقال در استاندارد RS232 برابر با 120 کیلوبیت بر ثانیه گفته شده اما این سرعت برای فاصله مسیر کمتر از 1 متر می باشد، در صورتی که نرخ انتقال داده بالاتری مورد نیاز است باید فاصله مسیر را کوتاه کرده و کابل را از نوع شیلد و جنس مرغوب انتخاب نمایید.

برای مثالی دیگر؛ در نظر بگیرید شما برای اتصال رایانه که دارای درگاه USB است به یک برنامه پذیر که دارای درگاه RS232 می باشد از مبدل USB to RS232  استفاده می کنید. این مبدل USB به RS232 شما که دارای کانکتور سریال  RS232- Maleاست یک دستگاه  DTE می باشد و PLC یا برنامه پذیر شما که دارای کانکتور سریال RS232- Female است یک تجهیز DCE می باشد. در حالت معمول شما می توانید تنها با استفاده از پین های TXD، RXD و GND ارتباط بین دو دستگاه را برقرار کرده و براحتی بین آنها ارسال و دریافت داده داشته باشید. دیگر پین ها وظیفه دارند تا انتقال سریع و با اطمینان را ضمانت کنند، اتصال و استفاده از آنها بسته به مشخصات دستگاه می تواند اختیاری و یا اجباری باشد.

5.4 استاندارد سریال آر اس 485

استاندارد سریال RS485 دارای سخت افزار، سطح ولتاژ، طول مسیر و سرعت انتقال اطلاعات مشخصی است، اما دارای نرم افزار و کانکتور خاصی نمی باشد که طراح خود می تواند قوانین مناسب را برای آن پیاده سازی کند. از ویژگی های این استاندارد می توان به موارد زیر اشاره کرد؛ گذرگاه می تواند بصورت شبکه بندی یک به یک و یا شبکه بندی چند نقطه ای پیکربندی شود. در یک حلقه حداکثر تعداد 32 گره امکان اتصال بر روی گذرگاه را خواهند داشت که در برخی دستگاه ها با توجه به مدار داخلی آنها تعداد گره ها می تواند تا 64 عدد، 128 عدد و یا 256 عدد گسترش یابد. حداکثر فاصله بین اولین و آخرین دستگاه می تواند 1200 متر باشد، گره های انشعاب نیز باید بسیار کوتاه انتخاب شوند. حداکثر نرخ انتقال داده وابسته به دستگاه های پیکربندی شده در یک حلقه می باشد. کابل مورد استفاده می تواند ساده انتخاب شود اما نوع شیلد و بهم تابیده برای مسیرهای طولانی و دارای نویز ضروری است. سطح ولتاژ مد مشترک -7 و +12 ولت می باشد. انتقال داده بصورت نیم دوطرفه بوده که می تواند در هر لحظه تنها ارسال و یا دریافت انجام گیرد. خطوط بالانس شده با نامهای A و B (و یا D- و D+) وظیفه تبادل داده تفاضلی را بر عهده دارند. ارسال و دریافت داده بصورت تفاضلی سبب می گردد تا اگر در طول مسیر نویز وجود داشته باشد پس از تفاضل گرفتن حذف گردد. استفاده از سیگنال زمین برای کاهش نویز، تطبیق امپدانس و ارتباط بهتر توصیه شده است، با این حال در فواصل طولانی نیاز است تمامی گره ها دارای زمین مشترک باشند. 

در این استاندارد برای حذف سیگنال برگشتی از دو عدد مقاومت خط استفاده می شود، این دو مقاومت باید بصورت موازی بین خطوط داده برای ابتدا و انتهای مسیر نصب گردد. این مقاومت ها بطور معمول با مقدار 120 اهم انتخاب می شود. در صورتی که طول مسیر کوتاه باشد می توان این دو مقاومت را نادیده گرفت. همچنین دو عدد مقاومت دیگر با نام مقاومت های بایاس نیز برای استاندارد RS485 پیشنهاد شده است؛ یک مقاومت خط داده مثبت را به سیگنال مثبت و مقاومت دیگر خط داده منفی را به سیگنال زمین متصل می کند، این دو مقاومت می تواند در هر نقطه از گذرگاه متصل گردند، مقدار آنها با توجه به طول مسیر، نوع کابل و تعداد گره ها باید محاسبه گردد. نصب مقاومت های بایاس ضرورتی نداشته و حتی در برخی دستگاه ها اصلا نیاز نمی باشد. برای مثال؛ شما می خواهید دمای اتاقک سردخانه که با اتاق کار شما 10 متر فاصله دارد را مشاهده و کنترل کنید. دستگاه قرار گرفته بر روی میز کار شما دارای نمایشگر، پردازشگر و یک درگاه سریال RS485 می باشد، از طرفی تجهیز قرار گرفته در اتاقک سردخانه نیز دارای سنسور دما، پردازشگر و یک درگاه سریال RS485 است. با شبکه بندی این دو تجهیز آر اس 485 بصورت یک به یک و نوشتن چند خط برنامه برای هر دو پردازشگر می توانید خواسته خود را به اجرا در آورید. با توجه به فاصله مسیر کوتاه و محیط کم نویز شما، نیازی به استفاده از مقاومت های بایاس نمی باشد و همچنین اگر بدون مقاومت های خط نیز مشکلی در دریافت و ارسال داده نداشته باشید نصب آنها نیز ضررورتی ندارد. در اینجا با توجه به اینکه پروژه ساده بوده و فقط خواندن دما از یک سنسور و نمایش آن بر روی یک نمایشگر انجام می گیرد، هر یک از پردازشگرها می تواند بعنوان دستگاه اصلی انتخاب شده و پردازشگر دیگر بعنوان دستگاه فرعی در نظر گرفته شود. برنامه پردازشگر دستگاه اصلی باید در هر زمان که لازم باشد درخواست خود را بر روی خط آر اس 485 اعلام نماید تا دستگاه فرعی آن خواسته را انجام یا پاسخ دهد. هر یک از این دو دستگاه نیاز است در حالت بیکاری با توجه به حالت Tristate خود به وضعیت امپدانس بالا رفته تا آماده دریافت داده باشد.

برای مثالی دیگر؛ ما می خواهیم وضعیت چند واحد که دارای تجهیزات صنعتی می باشد را در داخل اتاق فرمان مشاهده و کنترل نماییم. تجهیزات قرار گرفته در اتاق فرمان دو کنترل کننده با نمایشگر و درگاه RS485 می باشد، تجهیز قرار گرفته در واحد یک؛ یک رایانه با درگاه USB می باشد که توسط مبدل به استاندارد RS485 تبدیل شده است، تجهیز قرار گرفته در واحد دو؛ یک سنسور متصل به میکروکنترلر می باشد که توسط مبدل به استاندارد RS485 تبدیل شده است، تجهیز قرار گرفته در واحد سه؛ یک برنامه پذیر با درگاه RS232 می باشد که توسط مبدل به استاندارد RS485 تبدیل شده است. بدلیل اینکه دو تجهیز قرار گرفته در اتاق فرمان، مدیریت باقی واحد ها را در اختیار دارند آنها را دستگاه اصلی و دیگر تجهیزات را دستگاه فرعی می نامیم. فاصله اولین تجهیز تا آخرین تجهیز حدود 150 متر می باشد که تمامی این دستگاه ها را بصورت استاندارد RS485 در یک حلقه شبکه می کنیم. در این پیکربندی بدلیل شبکه بندی چند نقطه ای و مسیر طولانی، از دو مقاومت 120 اهمی خط در ابتدا و انتهای مسیر استفاده خواهیم کرد. اما چون برای هیچ یک از دستگاه ها الزامی در استفاده از مقاومت های بایاس نیامده آنها را نادیده می گیریم. کابل ارتباطی گذرگاه را از نوع زوج بهم تابیده و شیلد دار انتخاب می کنیم. اتصال سیم زمین را نیز جهت کیفیت بهتر رعایت خواهیم کرد. نرم افزار دو دستگاه اصلی بنحوی نوشته شده تا با توجه به نیاز و وضعیت محیط، درخواست خود را در زمان های مشخص بر روی گذرگاه ارسال کنند. این بسته درخواستی به تمامی گره ها می رسد و با توجه به آدرس ذکر شده در آن مشخص می شود مربوط به کدام دستگاه فرعی می باشد. برنامه دستگاه فرعی باید طوری باشد که با رسیدن بسته مربوطه خود را از حالت امپدانس بالا خارج کرده و پاسخ را برگرداند، سپس با توجه به ویژگی Tristate خود به حالت امپدانس بالا درآید تا خط آزاد شود. به همین ترتیب در زمان های مشخص سوال و پرسش از دیگر دستگاه های فرعی انجام می گیرد. با توجه به اینکه از دو دستگاه اصلی بهره می بریم در موقعی که یکی از آنها کار می کند نیاز است دیگری به حالت بیکاری و امپدانس بالا در آید. در این پروژه، مدارات داخلی تجهیزات اجازه انتقال داده با نرخ 5 مگابیت بر ثانیه را در شبکه RS485 به ما می دهد، اما با توجه به طول مسیر 150 متر نهایت سرعت ما می تواند 1 مگابیت بر ثانیه باشد.

5.5 استاندارد سریال آر اس 422

استاندارد سریال RS422 دارای سخت افزار، سطح ولتاژ، طول مسیر و سرعت انتقال اطلاعات مشخصی است، اما دارای نرم افزار و کانکتور خاصی نمی باشد که طراح خود می تواند قوانین مناسب را برای آن پیاده سازی کند. از ویژگی های این استاندارد می توان به موارد زیر اشاره کرد؛ گذرگاه می تواند بصورت شبکه بندی یک به یک و یا شبکه بندی چند قطره ای پیکربندی شود. در یک حلقه تعداد 1 عدد فرستنده با حداکثر 10 عدد گیرنده امکان اتصال بر روی گذرگاه را خواهند داشت که در برخی دستگاه ها با توجه به مدار داخلی آنها تعداد گره ها می تواند تا 64 عدد، 128 عدد و یا 256 عدد گسترش یابد (با تنها 1 عدد فرستنده). حداکثر فاصله بین اولین و آخرین دستگاه می تواند 1200 متر باشد، گره های انشعاب نیز باید بسیار کوتاه انتخاب شوند. حداکثر نرخ انتقال داده وابسته به دستگاه های پیکربندی شده در یک حلقه می باشد. کابل مورد استفاده می تواند ساده انتخاب شود اما نوع شیلد و بهم تابیده برای مسیرهای طولانی و دارای نویز ضروری است. سطح ولتاژ مد مشترک -7 و +7 ولت می باشد. انتقال دیتا بصورت تمام دوطرفه بوده که می تواند در هر لحظه هم ارسال و هم دریافت انجام گیرد. خطوط بالانس شده با نامهای Y و Z ارسال  داده تفاضلی و خطوط بالانس شده با نامهای B و A دریافت داده تفاضلی را بر عهده دارند. ارسال و دریافت داده بصورت تفاضلی سبب می گردد تا اگر در طول مسیر نویز وجود داشته باشد پس از تفاضل گرفتن حذف گردد. در برخی از کاربردها جهت امنیت بیشتر در ارسال و دریافت داده از چهار عدد خط دیگر نیز استفاده می شود تا قابلیت دست دهی و خطایابی را امکان پذیر کند. استفاده از سیگنال زمین برای کاهش نویز، تطبیق امپدانس و ارتباط بهتر توصیه شده است، با این حال در فواصل طولانی نیاز است تمامی گره ها دارای زمین مشترک باشند. در برخی موارد سطح ولتاژ مد مشترک جهت تطبیق با مدارات RS485 برابر با -7 و +12 ولت می باشد، همچنین نام گذاری خطوط بالانس شده نیز ممکن است با حروف دیگری مشخص شده باشد.

در این استاندارد برای حذف سیگنال برگشتی از دو عدد مقاومت خط استفاده می شود، این دو مقاومت باید بصورت موازی بین خطوط داده در گیرنده برای ابتدا و انتهای مسیر نصب گردد. این مقاومت ها بطور معمول با مقدار 120 اهم انتخاب می شود. در صورتی که طول مسیر کوتاه باشد می توان این دو مقاومت را نادیده گرفت. برای مثال؛ شما می خواهید دمای اتاقک سردخانه که با اتاق کار شما 10 متر فاصله دارد را همزمان مشاهده و کنترل کنید. دستگاه قرار گرفته بر روی میز کار شما دارای نمایشگر،پردازشگر و یک درگاه سریال RS422 می باشد، از طرفی تجهیز قرار گرفته در اتاقک سردخانه نیز دارای سنسور دما، پردازشگر و یک درگاه سریال RS422 است. با شبکه بندی این دو تجهیز آر اس 422 بصورت یک به یک و نوشتن چند خط برنامه برای هر دو پردازشگر می توانید خواسته خود را به اجرا در آورید. با توجه به فاصله مسیر کوتاه اگر بدون مقاومت های خط مشکلی در دریافت و ارسال داده نداشته باشید نصب آنها ضررورتی ندارد. در اینجا با توجه به اینکه پروژه ساده می باشد و فقط خواندن دما از یک سنسور و نمایش آن بر روی یک نمایشگر انجام می گیرد، هر یک از پردازشگرها می تواند بعنوان دستگاه اصلی انتخاب شده و پردازشگر دیگر بعنوان دستگاه فرعی در نظر گرفته شود. برنامه پردازشگر در دستگاه اصلی باید هر زمان که لازم باشد درخواست خود را بر روی خط آر اس 422 اعلام نماید تا دستگاه فرعی آن خواسته را همزمان یا غیر همزمان انجام یا پاسخ دهد. در این پروژه با توجه به ویژگی چهار سیمه نیاز به حالت Tristate نمی باشد.

برای مثالی دیگر؛ ما می خواهیم وضعیت چند واحد که دارای تجهیزات صنعتی می باشد را بر روی نمایشگر اتاق فرمان مشاهده و همزمان کنترل نماییم. تجهیز قرار گرفته در اتاق فرمان یک کنترل کننده با نمایشگر و درگاه RS422 می باشد، تجهیز قرار گرفته در واحد یک؛ یک رایانه با درگاه USB می باشد که توسط مبدل به استاندارد RS422 تبدیل شده است، تجهیز قرار گرفته در واحد دو؛ یک سنسور متصل به میکروکنترلر می باشد که توسط مبدل به استاندارد RS422 تبدیل شده است، تجهیز قرار گرفته در واحد سه؛ یک برنامه پذیر با درگاه RS232 می باشد که توسط مبدل به استاندارد RS422 تبدیل شده است. بدلیل اینکه تجهیز قرار گرفته در اتاق فرمان مدیریت باقی واحد ها را در اختیار دارد آن را دستگاه اصلی و دیگر تجهیزات را دستگاه فرعی می نامیم. فاصله اولین تجهیز تا آخرین تجهیز حدود 150 متر می باشد که تمامی این دستگاه ها را بصورت استاندارد RS422 در یک حلقه شبکه می کنیم. در این پیکربندی بدلیل شبکه بندی چند قطره ای و مسیر طولانی از دو عدد مقاومت 120 اهمی خط در ابتدا و انتهای مسیر استفاده خواهیم کرد، کابل ارتباطی گذرگاه را از نوع زوج بهم تابیده و شیلد دار انتخاب می کنیم. اتصال سیم زمین را نیز جهت کیفیت بهتر رعایت خواهیم کرد. نرم افزار دستگاه اصلی بنحوی انتخاب می شود که با توجه به نیاز و وضعیت محیط، درخواست خود را بر روی گذرگاه ارسال کند. این بسته درخواستی به تمامی گره ها می رسد و با توجه به آدرس ذکر شده در آن مشخص می شود مربوط به کدام دستگاه فرعی می باشد. برنامه دستگاه فرعی باید طوری باشد تا با رسیدن بسته مربوطه خود را از حالت امپدانس بالا خارج کرده و پاسخ را بطور همزمان یا غیر همزمان برگرداند، سپس با توجه به ویژگی Tristate خود به حالت امپدانس بالا درآید تا خط آزاد شود. به همین ترتیب در زمان های مشخص سوال و پرسش از دیگر دستگاه های فرعی انجام می گیرد. در این پروژه، مدارات داخلی تجهیزات اجازه انتقال داده با نرخ 5 مگابیت بر ثانیه را در شبکه RS422 به ما می دهد، اما با توجه به طول مسیر 150 متر نهایت سرعت ما می تواند 1 مگابیت بر ثانیه باشد.

6 خلاصه مطلب

استفاده از استاندارد TTL بدلیل سادگی و اتصال مستقیم با مدارات الکترونیکی راحت ترین و کم هزینه ترین ارتباط می باشد. حساسیت به نویز و اتلاف توان در این استاندارد طراحان را محدود به استفاده بر روی فیبر مدارچاپی می کند. در این استاندارد ارتباط دو دستگاه و یا چند دستگاه امکان پذیر است.

استاندارد RS232 بدلیل تعبیه در رایانه ها و عدم نیاز به مدارات اضافی مورد توجه می باشد. تک اتصال بودن و طول مسیر کوتاه استفاده از این استاندارد را محدود می کند. در این استاندارد ارتباط دو دستگاه امکان پذیر است.

استاندارد USB بدلیل سرعت بالا، انعطاف پذیری، تغذیه سرخود، سادگی اتصال، شناسایی خودکار و تعویض سریع کاربردهای متنوعی پیدا کرده است. فاصله مسیر کوتاه و پیکربندی پیچیده، استفاده از این استاندارد را برای توسعه دهندگان سخت کرده است. در این استاندارد ارتباط دو دستگاه و یا چند دستگاه امکان پذیر است.

استانداردهای RS485 و RS422 بدلیل مقاوم بودن در برابر نویز و امکان اتصال در فواصل زیاد مورد استفاده قرار می گیرند. اتصال چند دستگاه اصلی با چند دستگاه فرعی در استاندارد RS485 امکان پذیر می باشد در حالیکه در استاندارد RS422 اتصال یک دستگاه اصلی با چند دستگاه فرعی امکان پذیر است. استاندارد RS485 دارای ارتباط دو سیمه و نیم دوطرفه است که در مقایسه با استاندارد RS422 که چهار سیمه و تمام دوطرفه می باشد هزینه سیم کشی و هزینه تجهیزات کمتری خواهد داشت، اما پیچیدگی نرم افزار را افزایش می دهد. همچنین ویژگی دست دهی و خطایابی در استاندارد RS422 امنیت انتقال داده گذرگاه را تضمین خواهد کرد. در این دو استاندارد ارتباط دو دستگاه و یا چند دستگاه با خطوط بالانس شده زوج تفاضلی امکان پذیر است. اتصال تمامی این استانداردها به هم نوع خود با رعایت قوانین مختصری امکان پذیر می باشد. اما برای اتصال و ارتباط یک استاندارد با استاندارد دیگر نیاز به استفاده از مبدل و یا تبدیل کننده می باشد.

موفق و پیروز باشید: ارادتمند شما مهندس اسماعیل رضاپور