Por que RS232?
Desde a simples comunicação analógica através de fios telefônicos até os típicos cabos USB para troca de dados, percorremos um longo caminho no campo da comunicação. RS232 foi o primeiro marco alcançado nesta jornada. Foi um padrão para máquinas de escrever eletromecânicas e modems para troca digital de dados introduzido em 1962 pelo Setor de Rádio da EIA. Tornou a troca de dados mais confiável no canal analógico. O padrão definiu níveis de tensão que o tornaram imune a distúrbios de ruído e reduziram o erro na troca de dados.
À medida que a tecnologia crescia, muitos dispositivos eletrônicos foram sendo desenvolvidos nessa época, como computadores, impressoras, instrumentos de teste, etc. Chegou um momento em que os fabricantes sentiram a necessidade de trocar informações entre esses dispositivos eletrônicos. Por exemplo, troca de dados entre um computador e uma impressora ou dois computadores. Mas não havia nenhum padrão ou método para realizar esta tarefa. RS232 era o único padrão disponível na época usado para troca de dados. Então, pensaram em adotar esse padrão em dispositivos eletrônicos para troca digital de dados. Mas o padrão não conseguiu atender aos requisitos, pois foi desenvolvido especificamente para modems e teletipos. T
Para superar este problema, os projetistas começaram a implementar uma interface RS232 compatível com seus equipamentos. Assim como um computador HP só poderá usar dispositivos periféricos HP. Por causa disso, o mercado foi inundado com diferentes fabricantes com padrões próprios para seus dispositivos. Isso levou a problemas comuns, como atribuição de pinos não padrão de circuitos em conectores e sinais de controle incorretos ou ausentes. A falta de adesão ao padrão produziu uma próspera indústria de breakout boxes, patch boxes, equipamentos de teste, livros e outros auxílios para conexão de equipamentos diferentes. Assim, para acabar com todas essas disparidades nos equipamentos, um sindicato de fabricantes construiu um transmissor que fornecia +5V e -5v e os rotulou como compatíveis com “RS-232” e são iguais até hoje. O padrão foi revisado diversas vezes após o inicial e atualizado pela associação das indústrias eletrônicas. O nome do padrão também foi alterado de RS232 para EIA232. A Electronic Industries Association publicou três modificações, sendo a mais recente o EIA232F introduzido em 1997.
O que é RS232 – “PADRÃO RECOMENDADO 232”
RS-232 é um protocolo de comunicação padrão para conectar computadores e seus dispositivos periféricos para permitir a troca de dados serial. Em termos simples, o RS232 define a tensão do caminho utilizado para troca de dados entre os dispositivos. Ele especifica tensão comum e nível de sinal, configuração de fio de pino comum e quantidade mínima de sinais de controle. Como mencionado acima, este padrão foi projetado com especificações para teletipos eletromecânicos e sistemas de modem e não definiu elementos como codificação de caracteres, enquadramento de caracteres, protocolos de detecção de erros, etc., que são recursos essenciais quando a transferência de dados ocorre entre um computador e uma impressora. Sem o qual não poderia ser adotado a transferência de dados entre um computador e uma impressora. Para superar este problema, um único circuito integrado denominado UART, conhecido como receptor/transmissor assíncrono universal, é usado em conjunto com RS232.
É assim que todo o arranjo funciona.
Figura 1: Diagrama explicando a troca de dados seriais entre o PC e o dispositivo usando o protocolo RS232
Fica claro nesta figura que UART, drivers de linha e RS232 são três partes separadas do sistema, cada uma com seus próprios recursos característicos. UART e drivers de linha são as peças do RS232 para melhorar a qualidade do sistema durante a troca de dados serial.
Uma definição padrão foi dada pela EIA para definir RS232 como “uma interface entre equipamento terminal de dados e equipamento de comunicação de dados”. Um sistema RS232 típico é mostrado abaixo.
Figura 2: Imagem explicando um sistema RS232 típico
DTE-Um DTE significa equipamento terminal de dados, é um instrumento final que converte informações do usuário em sinais ou reconverte o sinal recebido. É uma unidade funcional de estação que serve como fonte ou coletor de dados e fornece função de controle de comunicação de acordo com o protocolo de link. Um conector macho é usado no DTE e possui configuração de pinagem.
DCE-A DCE significa equipamentos de comunicação de dados. Ele fica entre o DTE e o circuito de transmissão de dados, por exemplo, o modem. Um dispositivo DCE usa um conector fêmea que possui orifícios na superfície para segurar o conector macho.
São necessários no mínimo três sinais para comunicação entre um dispositivo DTE e um DCE. Esses sinais são uma linha de transmissão, uma linha de recepção e terra. Esses dois dispositivos se comunicam por meio de handshake. Ele permite que um sistema de dispositivo DTE e DCE reconheçam um ao outro antes de enviar os dados.
Aperto de mãos é um processo no qual um dispositivo DTE envia um sinal a um dispositivo DCE para estabelecer uma conexão entre os dispositivos antes da transferência real de dados. Define os parâmetros do canal de comunicação estabelecido entre dois equipamentos antes do início da comunicação normal pelo canal. Segue o estabelecimento físico do canal e precede a transferência normal de informações. O handshaking permite conectar sistemas ou equipamentos relativamente heterogêneos através de um canal de comunicação sem a necessidade de intervenção humana para definir parâmetros. Este mesmo conceito é utilizado no RS232 para permitir que dois dispositivos se comuniquem antes da efetiva troca de informações.
Todos esses termos juntos fornecem uma imagem completa de um sistema RS232 começando de DTE a DCE com UART, drivers de linha e RS232 como conjunção entre eles.
Implementação e especificações
Implementação do padrão RS232
Figura 3: Diagrama de blocos explicando a implementação de RS232 em dispositivos
A interface RS-232 funciona em combinação com o receptor/transmissor assíncrono universal UART. É um pedaço de circuito integrado integrado dentro do processador ou controlador. Ele pega bytes e transmite os bits individuais de forma sequencial em um quadro. Um quadro é uma estrutura definida, transportando uma sequência significativa de bits ou bytes de dados. Possui um bit de início seguido por 8 bits de dados, um bit de paridade e um bit de parada. Depois que os dados são transformados em bits, drivers de linha separados são usados para converter o nível lógico do UART em lógica RS-232. Finalmente, os sinais são transferidos ao longo do cabo de interface no nível de tensão especificado do RS-232. Os dados são enviados serialmente em RS232. Cada bit é enviado um após o outro. T
Este modo de transmissão exige que o receptor esteja ciente de quando os bits de dados reais estão chegando para sincronizar-se com os dados que chegam. Portanto, o 0 lógico é enviado como um bit inicial. O bit inicial no quadro sinaliza ao receptor que um novo caractere está chegando. Assim que o receptor reconhece, os próximos cinco a oito bits são enviados, representando o caractere. Isto é seguido pelo bit de paridade usado para detecção de erros. Bit de paridade é usado para especificar um número par ou ímpar no conjunto de bits. Para detecção de erros, adicionamos um bit extra à palavra de dados. O transmissor calcula o valor do bit dependendo da informação enviada e o receptor também realiza o mesmo cálculo. Ele verifica o valor de paridade com o valor calculado. O bit de parada ajuda o receptor a identificar o final da mensagem. O bit inicial sempre possui valor de espaço e o bit de parada possui valor de marca. Agora, se um receptor detectar um valor diferente de mark quando o bit de parada deveria estar presente, ele saberá que há um erro de sincronização. Isso causa uma condição de erro de enquadramento na UART receptora. O dispositivo então tenta ressincronizar com novos bits recebidos. Na outra extremidade, novamente, a interface do driver de linha o converte em níveis lógicos compatíveis com UART. No destino, uma segunda UART remonta os bits em bytes. Foi assim que o RS232 tornou a troca de dados compatível e confiável.
Especificações RS232 padrão
RS 232 é conhecido como um padrão completo. Garante perfeita compatibilidade definindo não apenas características elétricas, mas também funcionais e mecânicas. Por exemplo, níveis de tensão, taxa de variação, taxa de sinalização, conector conectável, identificação de pinos, etc. Todas as especificações estão resumidas neste diagrama de blocos com seus valores e exemplos.
Figura 4: Diagrama de blocos resumindo as especificações padrão RS232
Esta seção trata da compreensão detalhada de cada característica da norma.
Características elétricas
Inclui especificações sobre níveis de tensão; taxa de variação e nível de resistência à tensão. Os sinais de pinagem RS232 são representados por níveis de tensão em relação ao comum. Ele especifica a tensão máxima do circuito como 25v. No lado do transmissor, a saída do driver especifica a tensão +3v a +15v tão alto nível e -3v a -15v para nível baixo. Da mesma forma para a saída do receptorcolocar alto nível para tensão é +3v a +15v e a tensão de baixo nível é de -3v a -15v. Deve-se saber que a lógica do receptor fornece margem de ruído de +2v. A área morta entre +3v e -3v é projetada para absorver o ruído da linha. Na especificação RS232 de baixo nível -3v a-15v é definido como lógico '1' está no estado LIGADO e referido como 'Marcação' enquanto o nível alto +3v a +15v é definido como lógico '0' como estado DESLIGADO e conhecido como 'Espaçamento'. O padrão RS232 também limita a taxa de variação máxima, o que reduz a interferência entre os dois sinais. A taxa de variação é definida como a taxa de variação da tensão de saída em relação ao tempo. A taxa de variação máxima permitida no RS232 é de 30 V/microssegundos, o que retarda o tempo de subida e descida e reduz a interferência. Os circuitos que acionam uma interface compatível com RS-232 devem ser capazes de suportar curto-circuito indefinido com o terra ou com qualquer nível de tensão de até 25 volts. Alguns equipamentos de informática ignoram o nível negativo e aceitam um nível de tensão zero como estado DESLIGADO. O nível do sinal de saída geralmente oscila entre +12V e -12V.
Figura de especificação lógica RS232
Figura 5: Gráfico mostrando características elétricas em RS232
Características mecânicas
Esta área diz respeito à interface mecânica.
Um conector padrão de 25 pinos foi usado inicialmente. Ele especificou o tamanho mínimo do conector que pode acomodar todos os sinais. Cada pino foi pré-definido para permitir a compatibilidade entre o host e os sistemas periféricos .O equipamento terminal de dados usa conector macho e o equipamento de comunicação de dados usa pinos de conector fêmea. Outro conceito importante relacionado ao conector é o tipo de gênero. No comércio elétrico e mecânico, cada conector vem em pares. Um é conector macho e outro é fêmea. Os conectores macho têm pinos salientes na superfície, enquanto os conectores fêmea têm orifícios para segurar o conector macho. Também no RS232, o DTE possui conectores D-25 macho, enquanto o DCE possui conectores D-25 fêmea. Uma combinação de conector D-SUB 25 MASCULINO e D-SUB 25 FÊMEA é usada para conectar um DTE e DCE especificando tensão comum e nível de sinal, configuração de fio de pino comum e quantidade mínima de sinais de controle.
Fig. 6: Imagens do conector D-SUB 25 MASCULINO em sistemas baseados em RS232
Um conector de 25 posições era amplamente utilizado, mas hoje em dia é um conector de 9 pinos usado em muitas aplicações. É suficiente na maioria das circunstâncias, já que muitas das linhas disponíveis no conector RS232 de 25 pinos raramente são usadas. O conector de 9 vias é capaz de fornecer toda a conectividade necessária para a maioria das aplicações e permite que a aplicação transmita e receba os sinais necessários de acordo com os requisitos.
Um conector de 25 pinos e um conector de 9 pinos são mostrados abaixo.
Figura 7: Números de pinos em conectores de 25 e 9 pinos
Especificações cont.
Características funcionais
Esta é a terceira área que diz respeito à especificação RS232. Ele define as funções dos diferentes sinais que são usados na interface. Esses sinais são definidos em quatro categorias: dados, comum, controle e temporização. Existem poucos termos usados na tabela, como loop back, off ou on hook e canais secundários.
Loop de volta– É um método para realizar teste de transmissão das linhas na central de comutação. O loop back permite ao usuário testar sua própria rede para garantir que ela esteja funcionando corretamente.
Fora do gancho– Uma condição que ocorre quando um telefone ou outro instrumento do usuário está em uso durante a discagem ou comunicação. Foi originalmente referido para telefones que possuem fone de ouvido (receptor) separado que fica pendurado no gancho do interruptor até que o usuário queira usá-lo.
Canal Secundário –Estes são os canais de dados e têm a mesma capacidade do primeiro. Por exemplo Dados secundários transmitidos (STD), dados secundários recebidos (SRD), solicitação secundária para envio (SRTS), liberação secundária para envio (SCTS) e detecção de portadora secundária (SDCD).
A tabela abaixo mostra os diferentes sinais e suas funções
Figura 8: Tabela resumindo a descrição da pinagem RS232
Como podemos ver, o padrão fornece muitos sinais de controle. Existem apenas algumas aplicações que requerem todos os sinais definidos, caso contrário, apenas alguns sinais são usados, como um modem típico usa apenas oito sinais, alguns podem exigir apenas quatro, dois para dados e dois para handshake e enquanto outros podem usar apenas sinais de dados e nenhum handshake .
Aperto de mão e conclusão
APERTO DE MÃOS
O aperto de mão em RS232 comumente conhecido como aperto de mão “RTS/CTS”. O equipamento terminal de dados ativa o pino RTS para indicar um desejo de transmitir para o DCE e então o DCE responde através do pino CTS para conceder permissão. Doravante, os modems desativam seus transmissores quando não são necessários e devem transmitir um sinal de sincronização ao receptor quando forem novamente reativados. Na versão mais recente do padrão RS232 E, o handshaking é redefinido onde CTS (clear to send) não é mais uma resposta ao RTS, mas indica permissão do DCE para os dispositivos DTE. Da mesma forma, o RTS indica permissão do DTE para o DCE enviar dados. RTS e CTS são controlados por DTE e DCE e independentes um do outro. É explicado um sistema detalhado de handshaking com oito linhas de sinal.
Figura 9: Diagrama de blocos exibindo detalhes do sistema de handshake em RS232
Quando a detecção de portadora de dados está desligada, indica ao terminal local que o DTE remoto não ativou seu RTS e o terminal local pode obter controle sobre a linha. Quando este circuito está ligado localmente, ele indica ao terminal local que o modem remoto recebeu uma condição RTS ON de seu terminal e que o DTE remoto está no controle da linha portadora. RXD significa receber dados do modem para DTE. TXD transmite dados do DTE para o modem. O pino de prontidão do terminal de dados DTR geralmente está ativado quando o terminal está pronto para estabelecer um canal de comunicação através de seu modem. Mas quando o DTR não deseja aceitar chamadas do terminal remoto o circuito está desligado. Ambos os modems ligam o circuito Data Set Ready quando o caminho de comunicação é estabelecido entre dois locais. Agora, quando o terminal está pronto para transmitir, ele liga o circuito Request to Send, indicando ao modem local que está pronto para enviar dados. Esta solicitação é repassada ao modem remoto. O RTS controla a direção da transmissão de dados. Assim que o terminal estiver pronto para transmitir o modem local, comuta no circuito CTS para indicar que está pronto para receber os dados do DTE. Ele também ganha controle sobre a linha telefônica. Em seguida, quando o modem recebe a chamada, o Indicador de Toque liga/desliga informando ao DTE que uma chamada está chegando para indicar que o modem remoto está solicitando discagem. Este é um sistema de handshake simples com oito linhas de sinal.
Conclusão
RS232 tornou-se o recurso padrão de um computador pessoal para conexões com modems, impressoras, mouse, armazenamento de dados e outros dispositivos periféricos. Embora existam muitos novos desenvolvimentos, o RS232 ainda encontra sua aplicação. A primeira e mais importante razão é a simplicidade do padrão. Permite ao usuário se comunicar diretamente com portas seriais. Existem áreas como laboratório, automação e topografia que sustentaram a demanda por RS232 devido ao uso de equipamentos muito caros, mas antigos. É muito mais barato usar RS232 do que substituir os equipamentos. Não apenas os equipamentos antigos, mas também os dispositivos de automação modernos, como servo drivers, equipamentos CNC, etc. são programáveis por RS232. A Toshiba também reintroduziu o conector DE-9M no laptop. Portas seriais com RS-232 são usadas para comunicação com sistemas headless, como um servidor onde nenhum teclado está instalado durante a inicialização. Alguns sistemas embarcados usam a porta serial RS232 para comunicação como um modo alternativo de monitoramento de rede.