کابل RS232

 

در این مقاله به صورت کاملا تخصصی به بررسی، ساخت و ویژگی های هر کدام از کابل های  RS232 , RS485, RS422 می پردازیم. پیش مقدمه این مقاله در بخش مقالات وجود دارد و می توانید قبل از شروع به خواندن، مقالات قبل را بخوانید( مدباس قسمت اول و پروتکل مدباس چیست ( قسمت دوم ) ).( کابل RS232 ) 

---

کابل RS232

 

مقدمه:

 ارتباط دیجیتال بین دو وسیله بر اساس رشته های از صفر و یک ها است. نحوه تعریف صفر و یک ها نیاز به استاندارد دارد تا هر دو طرف برداشت یکسانی از آنها داشته باشند. صفر و یک ها میتوانند ولتاژی، جریانی و فرکانسی باشند. بر این اساس استانداردهای مختلفی مانند RS485, RS232, IEC1158  به وجود آمده است. ( کابل RS232 )

 به این استانداردها استاندارد لایه فیزیکی گفته می شود. در ارتباطات شبکه فقط تعریف صفر و یک فیزیکی کافی نیست.  نحوه بسته بندی صفر و یک ها و نحوه رمز گذاری روی آن ها و کارهای دیگری ایجاد می‌کند که یک الگوی واحد در شبکه پیاده‌سازی شود. به این الگو مدل OSI گفته می شود که هفت لایه دارد و در مقاله های بعد بحث قرار می‌گیرد.

 در مدل OSI  پایین ترین لایه، لایه فیزیکی است که با محیط بیرونی وسیله ارتباط دارد. در این استانداردهای مربوط به سیگنال سرعت نوع کابل و وسایل تقویت کننده رابط مطرح می گردد.

 با توجه به اینکه در حال حاضر پرکاربرد ترین لایه فیزیکی استفاده شده در Modbus RTU/ASCII  استانداردهای RS232 , RS422 ,RS485 می باشد در این مقاله استانداردهای مورد بررسی قرار می‌گیرد

 

---

لایه فیزیکی RS232

 آشنایی با RS232

 

 استاندارد RS232  یکی از پرکاربردترین استانداردها در ارتباط با لایه فیزیکی محسوب می شود که در دهه ۶۰ میلادی معرفی شد. این استاندارد توسط موسسه آمریکایی EIA(Electronics Industry Association مطرح گردید. بنابراین نام اولیه آن با پیشوند EIA استفاده می‌شد و به صورت EIA-232  بود که بعضاً هنوز نیز به کار میرود.  در سال ۱۹۸۸ بخش ارتباطات EIA  با موسسه TIA  مخفف Telecommunications Industry Association به هم پیوستند و پیشوند فوق به EIA/TIA-232  تغییر یا حتی بعضاً بدون ذکر EIA  یعنی TIA-232  نیز به کار می رفت.( کابل RS232 ) 

با یکی EIA-232 , TIA-232  و RS232 همگی معرفی یک استاندارد هستند ولی کلمه RS-232  بیشتر در اذهان جا افتاده و متداول گردیده است که RS  مخفف Recommended Standard می باشد

 استاندارد دیگری که مشخصاتی مشابه RS232  ارائه کرده است CCITT  می باشد.  در این  استاندارد V.24  مشخصات عملکردی و V.28   مشخصات مکانیکی وسیله را معرفی می‌کند بنابراین هر جا روی پورت وسیله ای V.24 قید شده باشد باز منظور همان RS-232  است.

 سیر تکاملی این استاندارد از RS232-C  تا RS232-F  است   که RS232-C   از پرکاربردترین آنها محسوب می‌شود و معمولاً آن را با نام RS232  به کار می‌برند.  است ابتدا انتقال جانبی مثل ترمینال ها و پرینتر ها استفاده می شد ولی امروزه برای ارتباط سریال بین تجهیزات مختلف به کار میرود 

 

در ارتباط RS232  با دو دستگاه که DTE   و DCE  خانواده می شوند و سر و کار داریم.

• کلمه DTE مخفف Data Terminal Equipment دستگاه ترمینال دیتاست یعنی وسیله ای مانند کامپیوتر یا پرینتر که دیتا را به وسیله DCE  منتقل میکند
• کلمه DCE  مخفف Data Communication Equipment و همانطور که از نامش پیداست وسیله ارتباطی دیتا مانند مودم است( کابل RS232 ) 

 

در فواصل زیاد ارتباط بین دو DTE  توسط DCE  مانند  شکل زیر  انجام می شود.

 

 

در فواصل کم دو وسیله DTE  می تواند به صورت مستقیم به هم متصل شوند این اتصال در شکل زیر نشان داده شده است و آن اصطلاحاً Null modem  گفته می شود.

 

 

---

 مشخصات الکتریکی RS232 

 

 در لایه فیزیکی RS232  مواردی نظیر سطح ولتاژ توپولوژی شبکه ای و طول کابل به عنوان مشخصات یکی هستند که با آن ها می پردازیم

1. سطوح ولتاژ

  در این استاندارد از دو سطح منطقی صفر و یک استفاده میشود که به صورت ولتاژ سیم سیگنال نسبت به سیم زمین سنجیده می شود.( کابل RS232 ) 

 

 

 به صورت کلی سطح ولتاژ +3 تا +15    ولت  نمایانگر وضعیت Space  ایا صفر منطقی و سطح ولتاژ -3  تا -15  ولت نمایانگر Mark  یا یک منطقی است. ولی با توجه به اینکه معمولاً در سمت فرستنده سطوح ولتاژی کمی بیشتر منظور می شود تا بتواند مربوط به ولتاژ غلبه کند در این حالت به طور دقیق صفر و یک منطقی به صورت زیر خواهد بود:

 

1.  در سمت فرستنده:

 یک  منطقی: ولتاژ بین 5-   ولت  تا 25-  ولت

صفر منطقی :  ولتاژ بین 5+  ولت تا 25+ ولت

 تعریف نشده:  ولتاژ بین 5-  ولت  تا 5+   ولت

 

      2. و در سمت گیرنده :

 یک  منطقی:  ولتاژ بین 3-  ولت تا 25-  ولت

صفر منطقی:  ولتاژ بین 3+  ولت تا 25+ ولت

تعریف نشده :  ولتاژ بین 3-  ولت تا 3+  ولت

 

 

 توجه شود حداکثر ولتاژ در این استاندارد ۲۵ ولت بوده که با توجه به منبع ولتاژ می تواند مقادیر مثبت و منفی ۵ و ۱۲ و ۱۵ به خود اختصاص دهد در بسیاری موارد مثبت ۱۲ و منفی ۱۲ ولت مورد استفاده قرار می گیرد

 شکل زیر انتقال بیت های یک فریم ASCII  را بر حسب ولتاژ نشان می دهد.

 

 

 از آنجا که سطح ولتاژ میکروپروسسور و تجهیزات استاندارد TTL  بین ۰ تا  ۵ولت است بدین خاطر برای تبدیل ولتاژ RS232  و TTL  به یکدیگر نیاز به مبدل های ولتاژ وجود  دارد. مبدل ها همانطور که در شکل زیر پیداست در هر دو طرف مورد نیاز هستند مدار مجتمع MAX232  یا HIN232  از جمله این مبدل ها هست.  استند شکل زیر  MAX232  را نشان می دهد.( کابل RS232 ) 

 

 

---

توپولوژی شبکه RS232

 

 استاندارد RS232  تنها برای اتصال نظیر به نظیر فقط دو وسیله که اتصال PTPمخفف Point to Point خوانده می شود طراحی شده است. این ویژگی نسبت به سایر استانداردهای که قابلیت چند انشعابی دارند یک ضعف محسوب می‌شود

 شکل زیر اتصال بین دو PLC  و اتصال بین PC  با PLC  را از طریق RS232  نشان می دهد.

 

 

---

سرعت RS232 

 

در Buad Rate ارتباط RS232  می تواند توسط کاربر با سرعت های مختلف ای تنظیم گردد.  سرعت متداول 19.2kbps  و با استفاده از برخی سخت افزار های خاص تا 115.2kbps  افزایش می یابد.  سرعت های مختلف در جدول زیر آمده است بدیهی است این تنظیم در هر دو سمت بایستی یکسان باشد.

 

 

---

 طول کابل RS232

 

 طول کابل RS232  از مواردی است که نیاز به بحث دارد به اجمال می توان ذکر کرد که:

1. کیفیت سیگنال RS232  در لحظه جابجایی از یک به صفر یا سفر به یک وابسته به امپدانس کابل یعنی سلف و خازن آن است
2.   با افزایش طول کابل امپدانس آن به ویژه خازن آن بیشتر شده و تاثیر آن روی کیفیت لبه سیگنال بیشتر میشود
3.   این تاثیر می‌تواند به حدی برسد که برخی جابه‌جایی‌ها قابل تشخیص نباشد و منجر به آشکار شدن خطا در ارتباط گردد
4.  تعداد خطاهای متوالی تا حدّ معیّنی قابل قبول است به همین علت در RS232  حدی را به عنوان ماکزیمم برای خازن کابل تعریف می کنند (2500PF) این حد تعیین کننده طول کابل است.
5. اگر از کابلی با ظرفیت خازنی کمتری استفاده شود به راحتی می توان کابل با طول بیشتری استفاده کرد مثلاً با کابل شیلد شده CAT5  بدون خارج شدن از حوزه استاندارد می توان به طول کابل ۵۰ متر و یا با استفاده از کابل CAT6 میتوان با سرعت انتقال ۲۴۰۰ به فاصله حدود ۳۰۰ متر نیز دست یافت
6.  علاوه بر موارد فوق بایستی به تاثیر نوروز نیز توجه داشت هر چقدر طول کابل بیشتر باشد نویز بیشتری می تواند آن را تحت تأثیر قرار دهد

 

 

برای سرعت ۱۹.۲kbps  طول کابل حداکثر ۱۵ متر است. با استفاده از کابل های خاص که خازن کم دارند این طول در همین سرعت تا ۵۰ متر قابل افزایش است. به هر صورت حتی با کابل های معمولی در صورت کاهش سرعت طول افزایش می یابد برخی از موارد در جدول زیر آورده شده است

 

 

چنانچه مشاهده می‌شود نصب کردن حداکثر سرعت ارتباط باعث افزایش طول مجاز با ضریب ۱۰ میشود. به همین خاطر ازRS232  برای ارتباطات کم دامنه استفاده می شود.( کابل RS232 ) 

 نکته:  در RS232  نیازی به ترمینیتور نمی‌باشد.

 

---

اتصالات و کانکتورها در RS232

 

 به طور کلی ارتباط سریال RS232  توسط کانکتور های مختلف ۹ پایه و ۲۵ پایه ایجاد میشود.  این اتصالات با نامهای DB-9  و DB-25  شهرت دارند.  همچنین کانکتور ها می توانند به صورت RJ45  نیز باشند. هر کانکتور در دو نوع Male  و Female  عرضه شدند

 

 

 کانکتور ۲۵ پین

 شکل زیر کانکتور ۲۵ پین را به همراه نام و عملکرد پایه ها نشان می دهد. توجه شود که این پایه ها مربوط به RS232  هستند و با پایه های مربوط به پورت موازی ۲۵ پین کامپیوتر ها متفاوت می باشند.

 

 

 پایه های کانکتور ۲۵ پین در جدول زیر تشریح شده است

 

 

 در بین پین ها فوق فقط ۹ پین به عنوان اصلی هستند. این موارد با رنگ خاکستری نمایش داده شده اند از این رو نوعی دیگر از کانکتور که فقط ۹ پین دارد نیز استفاده میشود.

 نحوه اتصال بین دو DTE  توسط کانکتور ۲۵ پین به صورت جدول زیر است

 

 

---

کانکتور  ۹ پین ( کابل RS232 ) 

 

 شکل زیر کانکتور ۹ پین RS232  را به همراه نام و عملکرد پایه ها نشان می دهد( کابل RS232 ) 

 

 

 

 

با مقایسه این جدول با جدول مربوط به کانکتور ۲۵ پین می‌بینیم که همان ۹ پایه قابل استفاده در اینجا آورده شده اند.  به عبارت دیگر کانکتور ۹ پین شکل خلاصه شده کانکتور ۲۵ پین  است که پایه های استفاده نشده در آن حذف گردیده اند.

 نحوه اتصال بین دو DTE  توسط کانکتور ۹ پین به شکل زیر است

 

 

 نحوه اتصال بین دو DTE  توسط کانکتور ۹ پین و ۲۵ پین به صورت شکل زیر است

 

 

 اتصالات فوق به صورت FULL  نمایش داده شده است. می توان اتصالات را به صورت مختصر نیز برقرار نمود و اتصال  3 پین به‌جای  ۹ پین مانند شکل زیر کافیست.

 

 

---

کانکتور RJ45

 

 پایه ها و اتصالات RS232  برای این کانکتور در شکل زیر نشان داده شده است

 

 

اتصال بین کانکتور ۹ پین و RJ45  در شکل زیر نشان داده شده است

 

 

---

 عملکرد پین های مختلف در RS232( کابل RS232 ) 

 

 با توجه به نحوه عملکرد پین های مختلف RS232 می‌توان اتصالات آنها را به دو صورت  دسته بندی کرد:

1.  خطوط دیتا
2.  خطوط فرمان

 

خطوط دیتا

 این خطوط بین پایه های TX, RX, GND  کشیده می شود.  اگر کانکتورهای ۹:۲۵ پیر را مدنظر قرار دهیم DTE  از پین شماره دو اقدام به ارسال و از بین شماره ۳ اقدام به دریافت می کند.  اتصالات اینها به صورت متقاطع مانند شکل زیر خواهد بود. از آنجا که سیگنال صفر و یک نسبت به زمین سنجیده می شود لازم است پایه GND  را نیز به یکدیگر متصل نمایید. این پایه در کانکتور ۹ پین شماره ۵ و در کانکتور ۲۵ پین شماره ۷ است( کابل RS232 ) 

 

 

یک اتصال RS232  به سادگی توسط ارتباط حقوق برقرار میشود اتصال سایر پایه ها فقط در مواقع  لزوم انجام می گیرد.

 خطوط فرمان

 خطوط فرمان برای کنترل جریان دیتا به کار میرود.کنترل اطلاعات برای مواقعی است که عدم تطابق سرعت فرستنده و گیرنده باعث پر شدن بافر موجود در گیرنده گردد که در این صورت بایستی به نحوه فرستنده را مطلع کرد تا از طریق ارسال دیتای جدید خودداری کند آیا هایی که برای این منظور به کار می روند عبارتند از:

 

1. RTS: Request to send
2. CTS:clear to send
3. DSR: DCE Ready: or data set ready (DSR in RS232-C)
4. DTR: DTE Ready or data terminal ready (DTR in RS232-C)

 

اگر پایه های فوق به نحوی که ذکر خواهد شد بین فرستنده و گیرنده کشیده نشده باشد و فقط خطوط دیتا متصل باشند در این حالت کنترل فلوی اطلاعات به صورت نرم افزاری خواهد بود.

 کنترل فلو ای دیتا به روش های سخت افزاری و نرم افزاری در ادامه  تشریح خواهد شد.

 

کنترل دیتا به روش سخت افزاری Hardware Handshaking: در این روش از سیگنال های سخت افزاری CTS  و RTS  استفاده می شود. زمانی که فرستنده می خواهد دیتا را ارسال کنند بایستی سیگنال RTS  را فعال نمود. سپس در طرف گیرنده با فعال سازی CTS  آمادگی خود را برای دریافت داده اعلام میکند و فرستنده پس از دریافت این سیگنال داده های مورد نظر را ارسال می کند.

 

کنترل دیتا به روش نرم افزاری Software Handshaking:  در این روش از دو کاراکتر Xon  و Xoff استفاده می‌شود و در کنترل آنها به عهده نرم‌افزار کاربردی  است.  در این حالت گیرنده یک وافر کوچک برای دریافت دیتا در اختیار دارد وقتی این بافر نزدیک به سر ریزی است میرنده با یک کاراکتر موسوم به Xoff به فرستنده گزارش می دهد که دیگر دیتا ارسال نکند هر زمانی که بافر آن خالی شد با ارسال یک کاراکتر Xon به فرستنده اعلام می‌کند که می‌تواند ارسال دیتا را ادامه دهد. مزیتی که این روش نسبت به روش سخت افزاری دارد این است که برای کنترل جریان نیازی به سیم های اضافی نیست و ارتباط دو سیم RXD/TX D برقرار می شود. به این روش کند بودن آن است به خاطر اینکه هر کاراکتر در بدترین حالت احتیاج به ۱۰ بیت دارد که این می تواند حین فرستادن کاراکترهای Xon/xoff  متناوب باعث کندی سرعت انتقال داده شود.

 

---

 مبدل های مختلف RS232

 

مبدل های مختلف برای RS232  عرضه می شوند.  برخی مانند شکل زیر تغییری در استاندارد نمی دهند و فقط اتصالات بین دو نوع پورت مختلف را برقرار کرده. 

 

 

برخی دیگر مانند شکل زیر تغییر استاندارد می دهد به عنوان مثال RS232  را به RS485  یا USB  تبدیل می کنند.  در این شرایط لازم است توجه شود که سرعت کلی ارتباط به سرعت مینیموم محدود خواهد شد.( کابل RS232 ) 

 

 

 برخی دیگر از مبدل‌ها بستر انتقال را تغییر میدهد این مبدل ها سیگنال الکتریکی را به نوری یا بدون سیم تبدیل می کندشکل های زیر نمونه های از مبدل های نوری و بدون سیم را برای RS232  و RS485  نشان می دهد.

 

 

 

 

---

معایب RS232  و علت نیاز به استانداردهای دیگر ( کابل RS232 ) 

 

 پس از استاندارد RS232  استانداردهای دیگری نظیر RS449,RS530,RS423 ,RS422,RS485 در جهت رفع محدودیت های RS2323  ارائه گردید.  در این راستا سعی شد مواردی همچون تعداد وسایل اثرات نویز مسافت و سرعت بهبود پیدا کند.( کابل RS232 ) 

 

به طور نمونه در استاندارد RS423  ویژگی های زیر تحقق پیدا کرد:

1.  یک فرستنده می تواند به چندین گیرنده متصل شود
2.  حداکثر فاصله انتقال داده برای آن به ۱۲۰۰ متر افزایش پیدا کند
3.  سرعت می تواند تا 100kbps افزایش یابد

 

 

در این استاندارد ها برای افزایش سرعت لازم است دامنه سطوح ولتاژ کاهش یابد. مثلا ولتاژ  منطقی  یک در RS423  برای 3/6-  تا 6-  ولت است و ولتاژ صفر منطقی 3/6  تا 6  ولت می باشد.

 یکی از نکاتی که در استانداردهای دیگر بهبود پیدا کرد تاثیرپذیری سیگنال از  نویز بود.  در RS232  دلیل اینکه سیگنال نسبت به زمین سنجیده می شود نویز روی آن تاثیر گذار است.( کابل RS232 ) 

 

 

 در استاندارد های دیگر مانند RS422  و RS485  سیگنال تفاضلی است که در این شرایط تأثیر   نویز حذف خواهد شد. به شکل زیر توجه فرمایید.

 

 

---

لایه فیزیکی RS422

ادامه دارد.