Transmisiones Asíncronas

1. Asíncrono Serie

Vamos a presentar los dos tipos de protocolos de comunicación serie asíncrono mas usados. RS232 y RS485.

2. RS 232

El "estándar recomendado 232", más comúnmente conocido como RS-232, es un protocolo de comunicación en serie asíncrono establecido en 1960.

Este protocolo se usaba para comunicar:

• Computadoras como Modems
• Terminales bobas son Servidores.
• Periféricos.
• Instrumentos

2.1. ¿Como funciona RS232?

Cómo funciona RS-232
Los ‘datos’ que se envían a través de las líneas RS232 son simplemente impulsos de tensión positivos (+) y negativos (-) relativos a una referencia de tierra. Un grupo de pulsos +/- enviados por un dispositivo son cuidadosamente cronometrados por el dispositivo receptor y decodificados en lo que los ajustes de hardware consideran paquetes de bits de datos. En otras palabras, la norma RS-232 sólo define un marco eléctrico general relativamente flexible para transmitir y recibir impulsos eléctricos. Lo que uno hace con todos estos pulsos depende en última instancia del hardware conectado.

De manera más simple, los dispositivos que se comunican a través de RS-232 se comunican a través de dos conjuntos de cables dentro de un cable.

Las señales salientes son señales Tx (transmisión) y las señales entrantes son señales Rx (recepción). Estas señales de salida suelen estar entre:

“1” lógico: -3v..-25v
“0” lógico: +3v..+25v

 ver que tiene un cable para Tx y otro para Rx => DUPLEX !!

Para tener en cuenta las caídas de voltaje a lo largo del cable, el dispositivo receptor interpretará cualquier voltaje por encima de +3 V como un 0 y cualquier voltaje por debajo de -3 V como un 1, comunicación binaria simple.

La transmisión ocurre por la varaición de la línea ( Tx o Rx):

Desde que comienza la variación de la línea hasta que termina, se pueden identificar campos o sectores.

• Bit de Inicio.
• Datos o Caracter
• Bir de Paridad.
• Bit/s de Stop

2.2. Parámetros

De lo visto anteriormente, para poder realizar una comunicación usando el protocolo RS 232 el transmisor como el receptor deberán acordar:

• la velocidad de transmisión
• el número de bits de datos
• el número de bits de paro
• el bit de paridad ( par o impar)

2.3. Conectores y Pin OUT

La norma RS232 describe la conexión en serie entre un aparato terminal de datos (DTE) y una instalación de transmisión de datos (DCE) con sus propiedades eléctricas, mecánicas y procedimientos. En otras palabras, define:

• los conectores a usar
  
• las funciones de cada pin
• Procedimiento ( como se comporta cada línea)
• Niveles Eléctricos.

Figura 4

Figura 5

Figura 6

Aquí vemos de frente un DB9 con los nombres del pio out.

Conexión básica o mínima

Típicamente, la comunicación serial mínima  (SIN HANDSHAKE) se puede implementar con 3 pines (cables)

● (1) Tierra (o referencia),
● (2) Transmitir,
● (3) Recibir.

Debido a que la transmisión es asíncrona, es posible enviar datos por un línea mientras se reciben datos por otra ( duplex)

Figura 6

2.4. Cambiador de Sexo

Este accesorio permite cambiar de DB 9 macho a DB 9 hembra y es conocido como cambiador de Sexo.

2.5. Error en Temporización

Ver que si los Clocks o relojes del Tx y Rx difieren en mucho, podría ser que se produjeran errores ya que el momento de lectura del Rx no sería el correcto.

2.6. Conversor RS 232-USB

RS-232 y USB

Érase una vez, los puertos RS-232 eran estándar en la mayoría de las computadoras portátiles y de escritorio. Sin embargo, USB casi ha eliminado por completo el RS-232 en las computadoras desde su introducción en 1996. Pero el RS-232 aún se sigue utilizando con servidores, equipos CNC y, por supuesto, servo accionamientos, es por eso que surgieron los "Adaptadores USB - Serie".

Figura 1

Claramente podemos darnos cuentas que NO ES simplemente un cable, si no que tiene una electrónica que puede convertir una comunicación serie Sincrónica ( USB) a una Comunicación serie Asincrónica (RS-232).

La conversión de niveles te tensión, temporización son sin dudas algunas de las tareas de esta electrónica.

Las limitaciones de distancias debe ser tenida en cuenta, USB tiene un límite y RS232 también.

Estos "Conversores" al igual que RS 232 le dieron una tasa de sobrevida a la RS232 en los equipos portátiles o de escritorio, pero sin duda,  en el futuro serán solo curiosidades en esos contextos

2.7. Resumen RS232

• Sencillo
• Barato
• 20/30 % de Overload
• Distancias Cortas hasta 15 m
  
• Lento.
• Bueno para envío de datos eventuales.
• punto a punto
• duplex

2.8. Handshake

La interfaz puede trabajar en comunicación asíncrona o síncrona y tipos de canal simplex, half duplex o full duplex. En un canal simplex los datos siempre viajarán en una dirección, por ejemplo desde DCE a DTE. En un canal half duplex, los datos pueden viajar en una u otra dirección, pero solo durante un determinado periodo de tiempo; luego la línea debe ser conmutada antes que los datos puedan viajar en la otra dirección. En un canal full duplex, los datos pueden viajar en ambos sentidos simultáneamente. Las líneas de handshaking de la RS-232 se usan para resolver los problemas asociados con este modo de operación, tal como en qué dirección los datos deben viajar en un instante determinado.

Si un dispositivo de los que están conectados a una interfaz RS-232 procesa los datos a una velocidad menor de la que los recibe deben de conectarse las líneas handshaking que permiten realizar un control de flujo tal que al dispositivo más lento le de tiempo de procesar la información. Las líneas de hand shaking que permiten hacer este control de flujo son las líneas RTS y CTS. Los diseñadores del estándar no concibieron estas líneas para que funcionen de este modo, pero dada su utilidad en cada interfaz posterior se incluye este modo de uso.

Hay varios tipos de handshake ( el  estudio de los mismos NO es parte de la materia ) y las líneas para implementar son:

• RTS - Request to Send
• CTS - Clear to Send
• DSR -Data Send Redy
• DTR -Data Terminal Ready

El procedimiento sobre el uso de los mismos está indicado en la Norma, pero como dijimos anteriormente, no forma parte del curso el estudio del mismo y se debería consultar con la norma pero  básicamente sería:

Fase 1

Fase 2

Fase 3

2.9. Accediendo a la UART

UART significa Transmisor-Receptor Asíncrono Universal 

Link al data sheet de  UART 8250

Este esquema que sigue corresponde a un Arduino, aqui hay un microcontrolaror.

En este caso el Microcontrolador ya tiene un microprocesador y una UART y desde alli se maneja un integrado MAX 232 muy conocido.

El mismo permite generar tensiones positivas y negativas para ser usadas en RS232 pese a que tiene UNA sola tensión de alimentación positiva.

Para lograr eso usa un capacitor y "llaves".

3. RS422

RS-422 (Estándar EIA RS-422-A) es el conector serial utilizado en las computadoras Apple de Macintosh.

RS-422 usa señales eléctricas diferenciales, en comparación con señales referenciadas a tierra como en RS-232.

La transmisión diferencial, que utiliza dos líneas para transmitir y recibir, tiene la ventaja que es más inmune al ruido y puede lograr mayores distancias que RS-232.

La inmunidad al ruido y la distancia son dos puntos clave para ambientes y aplicaciones industriales

4. RS485

RS-485 (actualmente conocido como EIA/TIA-485) es una interfaz estándar de la capa física de comunicación, un método de transmisión de señales, el 1er nivel del modelo OSI (Interconexión de Sistemas Abiertos). El protocolo RS-485 fue creado para ampliar las capacidades físicas de la interfaz RS-232.

RS-485 (Estándar EIA-485) es una mejora sobre RS-422 ya que incrementa el número de dispositivos que se pueden conectar (de 10 a 32) y define las características necesarias para asegurar los valores adecuados de voltaje cuando se tiene la carga máxima. Gracias a esta capacidad, es posible crear redes de dispositivos conectados a un solo puerto RS-485, recordemos que RS 232 era punto a punto!!

EIA: Asociación de Industrias Eléctricas

RS485 o  TIA/EIA-485 es un estándar de comunicaciones muy utilizado en aplicaciones de adquisición y control de datos, las interfaces RS-232 y RS-485 son habituales en los sistemas industriales de monitorización y embebidos. Estas interfaces también se utilizan con sensores y monitores IoT y con dispositivos científicos y sanitarios.

Las interfaces RS-232 y RS-485 ya no se utilizan comúnmente con ordenadores y dispositivos debido a la popularidad de interfaces como USB.

Una de sus principales ventajas es que permite incluir varios dispositivos RS485 en el mismo bus, lo que hace posible que varios nodos se conecten entre sí.

El  estándares RS485 define esquemas de transmisión de datos balanceados (diferencial)  que proporcionan soluciones robustas para transmitir datos en largas distancias y en entornos ruidosos.

Este estándar no definen el protocolo a utilizarse para la comunicación de datos y se adoptan como especificación de la capa física de varios protocolos, como, por ejemplo, Modbus, Profibus, DIN-Measurement-BUS y muchos otros.

La conexión serie EIA-485 es realizada utilizando un cable de dos o tres hilos: un hilo de datos, un hilo con datos invertidos y, a menudo, un hilo cero (tierra, 0 V). De este modo, los transmisores y los receptores intercambian los datos a través de un cable de par trenzado de hilos rígidos de 22 o 24 AWG.

El AWG (Amercian Wire Gauge) especifica el diámetro, le resistencia eléctrica y la medida de un cable. Gauge o indicador se refiere a la cantidad de veces que un metal necesita pasar a través de las hileras de trefilado a fin de lograr el diámetro deseado, lo que significa, por ejemplo, que un alambre de 24 AWG ha sido trefilado 24 veces.

El estándar TIA/EIA-485, popularmente conocido como RS485, describe una interfaz de comunicación que opera sobre líneas diferenciales  capaces de comunicarse con 32 “unidades de carga”. Normalmente, un dispositivo transmisor/receptor corresponde a una “unidad de carga”, que permite la comunicación con hasta 32 dispositivos. Sin embargo, hay dispositivos que consumen fracciones de unidades de carga, lo que aumenta  el número máximo de dispositivos a conectar.
El entorno físico más utilizado es el par trenzado. A través de este único par trenzado de cables, cada dispositivo transmite y recibe datos.

Cada dispositivo activa su transmisor sólo en el instante en que necesita transmitir, manteniéndolo apagado por el resto del tiempo, de manera a permitir que otros dispositivos transmitan datos.  En un momento dado, sólo se puede transmitir un dispositivo, lo que caracteriza a esta red como full-duplex.

4.1. Implementación.

Maestro - Esclavo

En el protocolo de comunicación RS485, los comandos son enviados por el nodo establecido como maestro. Todos los demás nodos conectados al maestro reciben los datos a través de los puertos RS485. Dependiendo de la información enviada, ninguno o varios nodos de la línea responden al maestro.

4.2. Comunicación Diferencial

RS485 se caracteriza por la utilización de un medio de comunicación diferencial (o equilibrado), denominado “par trenzado”.

Los circuitos transmisores y receptores adoptados en estas interfaces utilizan la diferencia entre los niveles de tensión en cada conductor del par trenzado.

Los códigos binarios se identifican por la polaridad (+ o -) de la diferencia de tensión entre los conductores de los dos circuitos, es decir, cuando la tensión en el conductor “+” es mayor que en el conductor “-”, se caracteriza un nivel lógico “1”. Cuando, al revés, la tensión del conductor “-” es mayor que la del conductor “+”, se caracteriza un nivel lógico “0”.

Se define un margen de ruido de ±0,2 V para aumentar la tolerancia a la interferencia. Esta técnica tiene como resultado la cancelación de ruidos inducidos en el medio de transmisión, pues, si se induce el ruido en los dos conductores, la diferencia de tensión entre ellos no se cambia y la información se conserva.

La interferencia electromagnética emitida por un bus de comunicación diferencial también es menor que la emitida por
los buses de comunicación no diferencial.

La teoría de las comunicaciones describe la necesidad de terminación de líneas de comunicación con un valor de impedancia correspondiente a la  impedancia característica en la línea de transmisión. La correcta terminación atenúa las reflexiones que distorsionan los datos transmitidos, aumentando los límites de velocidad y/o longitud de la red

Redes no-terminadas:

Son menos costosas y fáciles de implementar. La clara desventaja es que las tasas de comunicación deben ser lentas y los cables deben ser lo suficientemente cortos para mantener la fiabilidad de la red. Redes con cables cortos (de hasta 100 m) y que operan a baja velocidad (hasta 19200 bps) funcionan correctamente, incluso sin la utilización de resistencias de terminación.

Terminación en Paralelo:

La terminación en paralelo ofrece excelentes tasas de comunicación, pero se limita a redes con un solo driver, donde un dispositivo habla y los demás sólo escuchan, como es el caso de cada uno de los pares de redes RS422 o RS485 dúplex completo. En estos casos, se debe posicionar el driver en un extremo de la red y la resistencia de terminación en el otro extremo de la red.

Terminación Bidireccional:

El tercer método es la terminación bidireccional, que proporciona una excelente integridad de señal. Con esta técnica, se pueden ubicar los driver en cualquier lugar de la red. La desventaja es que el consumo de la red aumenta. Este es uno de los métodos más confiables de terminación.

La impedancia característica de un par trenzado es de aproximadamente 120 ohmio s, lo que se considera un valor adecuado para la resistencia de terminación que se va a instalar.

El último asunto relacionado con la terminación es qué hacer con los conductores no utilizados en un cable de datos? Recordemos que un cable UTP tiene 4 pares trenzados.

La mejor manera de minimizar la energía de un conductor no utilizado es disiparla en forma de calor. Para hacerlo, se deben poner resistencias de terminación en las dos extremidades del conductor para la tierra (una terminación bidireccional). Las resistencias deben tener un valor igual a la impedancia característica de la línea, es decir, alrededor de 120 ohmios. Utilizar cables de manera que no queden conductores es una mejor alternativa

4.3. Topología

Mientras la velocidad es relativamente baja y las distancias son relativamente cortas, la influencia de la topología de la red en su rendimiento no es  significativa.

Sin embargo, cuando los efectos de las líneas de transmisión empiezan a aparecer, existe apenas una topología simple para manejarlos.

Sólo en el tipo “Daisy Chain” (Conexión en Cadena),  donde los dispositivos están conectados directamente a los conductores de la línea de comunicación principal, es fácil controlar las reflexiones que producen errores de comunicación. En menor medida y menos frecuente es la topología tipo árbol con ramas cortas (Árbol con Stubs Cortos).

Tipos de topología existentes.

De todas las topologías mostradas las recomendadas son las que tienen un recuadro: arbol y margarita (cascada o daisy chain)

4.4. Límites de distancia y velocidades.

RS485 especifican una longitud máxima de 1200 metros para los cables de comunicación.

La velocidad máxima de comunicación (en bits por segundo – bps) depende de las características de los equipos instalados, de la capacidad de los cables de comunicación y de las resistencias de terminación instaladas.

Por regla general, cuanto más largos los cables, menor será la velocidad de comunicación. A título indicativo, no se deben aguardar problemas de comunicación cuando el producto entre la longitud de los cables (en metros) y la velocidad de comunicación (en bits por segundo – bps) es menor que 10 8 (100.000.000).
La figura a continuación muestra el compromiso entre la velocidad de comunicación y la longitud máxima del cable. La performance del sistema varía según el tipo de cable, las terminaciones, la topología de red, la interferencia presente en el entorno y la calidad de los transmisores y receptores de cada dispositivo de la red.

4.5. Implementación

un esquema clásico:

Bus 2 Hilos

Bus 4 Hilos.

https://www.eltima.com/es/article/rs485-communication-guide/

5. Diferencias RS232 vs RS485