Black Box erklärt - Zu black

5th black
(ALL)
White
with
FC black
diamond
White
with
process
black
diamond
White
with
5th black
diamond
Black Box erklärt:
Serielle Schnittstellen
Teil 1
BLACK BOX
®
724-746-5500
0811/5541-110 | | blackbox.com
black-box.de
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung................................................................................................................................................................................................. 3
2. Serielle Schnittstelle RS232 . .................................................................................................................................................................... 3
2.1 Verbindungsarten . ................................................................................................................................................................................ 6
2.1.1 Zweidrahtverbindung........................................................................................................................................................................... 6
2.1.2 Vierdrahtverbindung............................................................................................................................................................................ 7
2.1.3 Mehrdrahtverbindung.......................................................................................................................................................................... 7
2.2 Das Datenpaket...................................................................................................................................................................................... 8
2.3 Die Steckertypen.................................................................................................................................................................................. 10
3. Anwendungsbeispiele............................................................................................................................................................................ 12
Wir kümmern uns! Sollten Sie Frage haben zu den Applikationen, unseren Produkten,
oder diesem Whitepaper, sprechen Sie mit dem Black Box Tech Support: 0811/5541-110 oder
besuchen Sie black-box.de und klicken Sie auf“Talk to a Tech.”
Wir rufen Sie kostenlos zurück - in Sekundenschnelle.
Full-Color
Black
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 2
1. Einleitung
Serielle Schnittstellen gehören zu den ältesten und gebräuchlichsten digitalen I/O-Interfaces (Input/Output) bei Geräten der
Datenkommunikation und Nachrichtentechnik.
Während die serielle Schnittstelle früher ihre Hauptanwendung in der Datenübertragung per Modem (Btx, Fax, usw.) fand, wird
sie heute auch für die Anbindung schneller Peripheriegeräte benutzt (USB, FireWire). Auch in der Industrie-, Gebäude- und
Automatisierungs-technik per moderner Feldbussysteme (Modbus, Interbus, Profibus, CANopen, usw.) bilden serielle
Übertragungssysteme die Basis.
Im Unterschied zu parallelen Schnittstellen, sind serielle Schnittstellen kostengünstiger (einfacher Kabelaufbau) und können
größere Entfernungen überbrücken.
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlichster serieller Schnittstellen.
Angefangen von den üblichen Standards RS232, RS422, RS485, Current Loop (TTY), über serielle Platinen-Bussysteme (mit denen
wir uns aber nicht beschäftigen wollen), bis hin zu Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie USB und Firewire.
Auch Ethernet, DVI, HDMI, usw. sind sozusagen serielle Schnittstellen, sollen aber, ebenso wie die unzähligen Feldbussysteme,
hier nicht behandelt werden.
Unterscheiden muss man auch die Art der seriellen Datenübertragung. Da gibt es Simplex-, Halbduplex- oder Vollduplexbetrieb.
Weiter differenziert wird zwischen synchroner (z.B. IBM-Welt – AS400 usw.) und asynchroner Datenübertragung (PC, Modem,
usw.), sowie zwischen Spannungs- und Stromschnittstellen.
Die einzelnen Unterscheidungsmerkmale werden wir im Folgenden noch näher betrachten.
2. Serielle Schnittstelle RS232
Beginnen wir mit der meist benutzten seriellen Schnittstelle - RS 232:
RS232 (= EIA 232, Electronic Industries Alliance), bei Bezeichnungen wie RS232C steht das C für dritte Version, ist eine bipolare
Spannungsschnittstelle (die Informationen werden durch die elektrische Spannung codiert).
RS232 (RS= Recommended Standard, ursprünglich die Abteilungsbezeichnung Radio Sector) ist die amerikanische Norm und
entspricht international funktionell der ITU-T V.24 (International Telecommunication Union) und elektrisch der V.28.
Das mechanische Äquivalent ist die Empfehlung ISO 2110 (International Organization for Standardization) an die die DIN 66 020
und DIN 66 259 (Deutsches Institut für Normung, im vereinfachten Sprachgebrauch wird DIN auch als deutsche Industrie Norm
bezeichnet) weitestgehend angelehnt sind.
RS232 dient, wie die meisten Standardschnittstellen, der Kommunikation zwischen zwei DTE (Data Terminal Equipment, DEEDatenendeinrichtung), z.B. PC, Drucker, oder zwischen einem DTE und einem DCE (Data Communication Equipment, DÜEDatenübertragungseinrichtung), z.B. Modem.
Mit RS232 ist sowohl eine asynchrone, wie auch eine synchrone Übertragung möglich. Bei der asynchronen Übertragung müssen
den beiden Kommunikationspartnern vor der Übertragung die Geschwindigkeit, das Datenformat und die Art der Steuersignale
bekannt sein.
Full-Color
Black
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 3
Asynchrone Datenübertragung bezeichnet man auch als zeichenweise Übertragung, der zeitliche Abstand zwischen den
Datenpaketen spielt keine Rolle, da die Pakete per Start- und Stopbit definiert sind.
Bei der synchronen Übertragung muss ein Taktgeber (clock-source) definiert sein. Eine synchrone Übertragung ohne Takt oder mit
unterschiedlichen Takten funktioniert nicht.
Bei der synchronen Übertragung werden die Zeichen blockweise übertragen, die Blockgröße richtet sich nach dem Takt.
Ob eine RS232 Schnittstelle asynchron oder synchron ist, wird durch den IC-Baustein (Integrated Circuit – integrierter Schaltkreis)
bestimmt. UART-Bausteine (Universal Aysnchronous Receiver/Transmitter) arbeiten nur asynchron, USART (Universal Synchron/
Aysnchron Receiver/Transmitter) sowohl synchron wie auch asynchron.
Diese Bausteine wandeln die von intern kommenden parallelen Daten in serielle Daten um und stellen das Herzstück der seriellen
Schnittstelle dar. Sie sind auch für die Baudrate (bis 460,8 Kbps) und die interne Verarbeitungsgeschwindigkeit verantwortlich.
Grundsätzlich kann man sagen, je höher die Bezeichnung des Bausteins (16450, 16550, 16850, usw.), desto schneller und leistungsstärker die Schnittstelle.
Die RS232 Schnittstelle ist eine erdunsymmetrische Schnittstelle, d.h. der Signalpegel wird zwischen der Datenleitung und Masse
gemessen und kann damit nicht symmetrisch zur Masse sein. Die Masse stellt also hier das Bezugspotential dar.
Auf der Datenleitung wird eine negative Logik verwendet, + 3 V bis + 15 V (High-Level) stellt eine logische 0 (Space) dar, - 3 V bis
– 15 V (Low-Level) eine logische 1 (Mark). Die typischen Werte liegen bei + 12 V und – 12 V.
Umgekehrt dazu sind Steuer- und Meldesignale aktiv bei einer Spannung > + 3 V und inaktiv bei einer Spannung < - 3 V.
Der Bereich zwischen + 3 V und – 3 V ist nicht definiert und sollte möglichst schnell durchlaufen werden. Die Flankensteilheit darf
hier minimal 6 V/ms, bzw. 3 % der Schrittdauer betragen (der kleinere Wert gilt), gemäß DIN 66259 Teil 1.
Full-Color
Black
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 4
Wir unterscheiden die Schrittgeschwindigkeit und die Schrittdauer.
Die Schrittgeschwindigkeit gibt die Anzahl der Bits an, die pro Sekunde übertragen werden und wird auch als Baudrate
(Abkürzung für den franz. Ingenieur Baudot) bezeichnet. Abhängig von der Baudrate ergibt sich die maximale Leitungslänge, z. B.
bei 9600 = 15 Meter, 19200 = 7,6 Meter, 57600 = 2,6 Meter. Dies sind praktische maximale Werte, die DIN 66259 Teil 2 gibt
beispielsweise für 19200 – 50 Meter an, dies sind aber rein theoretische Werte und auch mit kapazitätsarmen Kabeln nur selten
erreichbar.
Die Schrittdauer, bzw. der Schrittwert (auch als Bittakt bezeichnet), ist der kleinstmögliche zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zustandsänderungen.
Die Schrittgeschwindigkeit ist der Kehrwert der Schrittdauer.
Formel
Baud =
1
Bittakt
Die RS232 Schnittstelle ist vollduplexfähig.
Im Gegensatz zum Simplexbetrieb, Daten gehen nur in eine Richtung (Prinzip Einbahnstrasse), und Halbduplexbetrieb, Daten können wechselseitig aber nie gleichzeitig gesendet werden (schmale Strasse auf der nie zwei Autos nebeneinander passen), kann bei
Vollduplex zur gleichen Zeit gesendet und empfangen werden (zweispurige Strasse mit Gegenverkehr).
Beschäftigen wir uns nun mit der eigentlichen Datenübertragung.
Beispiel:
Zur vereinfachten Darstellung nehmen wir eine Verbindung zweier DTEs per DCE an
DTE 1 ----RS232---- DCE 1 xxxxxx DCE 2 ----RS232---- DTE 2
Die Modems sind per Standleitung Halbduplex verbunden.
Werden die Modems (DCEs) eingeschaltet, erhalten die DTEs das DSR-Signal (Data Set Ready – Betriebsbereitschaft), auf welches
sie mit dem DTR-Signal (Data Terminal Ready – Endgerät betriebsbereit) antworten.
DTE 1 möchte senden und fordert den Sendebetrieb per RTS (Request to Send – Sendeanforderung) bei DCE 1 an. DCE 1 gibt
den Datenträger auf die Leitung zu DCE 2 und meldet dies per CTS (Clear to Send – Sendebereitschaft) an DTE 1.
DCE 2 erkennt den Datenträger und meldet dies per DCD (Data Carrier Detect – Empfangssignalpegel) an DTE 2.
DTE 1 schickt seine Daten per TxD (Transmit Data – Sendedaten) an DCE 1, dieses moduliert die Daten auf die Standleitung, DCE
2 demoduliert die empfangenen Daten und leitet diese an RxD (Receive Data – Empfangsdaten) an DTE 2 weiter.
DTE 1 beendet die Sendung durch die Deaktivierung der RTS-Leitung.
DCE 1 schaltet daraufhin den Datenträger ab und setzt CTS auf inaktiv. DCE 2 setzt DCD auf inaktiv.
Sollte DTE 2 ein Bestätigung senden wollen, beginnt der gleiche Ablauf in umgekehrter Richtung.
Full-Color
Black
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 5
2.1 Verbindungsarten
2.1.1 Zweidrahtverbindung
Die einfachste Form der Kommunikation per RS232 benötigt nur drei Leitungen. Man spricht hier von einer Zweidrahtverbindung,
da der Signal Ground vorausgesetzt wird und nur die Daten- bzw. Steuerleitungen gezählt werden.
Abbildung 1: Zweidrahtverbindung
Transmit (TxD) sendet jeweils zu Receive (RxD), sowie die Verbindung für den Signal-Ground (GND). Die entsprechenden
Steuersignale werden auf beiden Seiten gebrückt und beantworten sich somit selbst (ein auf aktiv gesetztes RTS kommt dann als
CTS zurück).
Diese Verbindung kann natürlich nicht mit einem Hardware-Handshaking arbeiten, da die entsprechenden Steuerleitungen fehlen
und die gebrückten Signale Dauerbereitschaft simulieren. Es kann hier nur ohne, oder mit Software-Handshake gearbeitet
werden.
Software-Handshake wird per XON/XOFF-Protokoll realisiert. Kann der Empfänger keine weiteren Daten mehr entgegennehmen,
sendet er über die zweite Datenleitung ein XOFF (13h, ASCII-Code DC 3) woraufhin der Sender die Übertragung solange unterbricht bis er vom Empfänger ein XON (11h, ASCII DC 1) erhält.
Werden zwei DTEs oder zwei DCEs miteinander verbunden, benötigen wir bei asynchroner Übertragung ein gekreuztes Kabel
(Nullmodem). Für die Verbindung zwischen einem DTE und einem DCE genügt ein gerades Kabel.
Schwieriger wird es bei einer synchronen Übertragung. Da wir in jeder synchronen Übertragung einen Takt (Clocking) benötigen,
Full-Color
Black
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 6
welcher in der Regel vom DCE erzeugt wird, reicht ein gekreuztes Kabel hier nicht aus. Sollen zwei DTEs synchron miteinander
verbunden werden (von denen keines einen Takt generieren kann), so benötigt man dazwischen einen Modem-Eliminator. Dieser
erzeugt ein Clocking in beide Richtungen. Sollen dagegen zwei DCEs miteinander verbunden werden (und ein Abschalten eines
Taktes ist nicht möglich), ist ein Tail Circuit Buffer notwendig, um die beiden ankommenden Clockings zu synchronisieren.
2.1.2 Vierdrahtverbindung
Hier werden zusätzlich noch die Steuerleitungen RTS und CTS miteinander verbunden.
Abbildung 2: Vierdrahtverbindung
Bei einer Mehrdrahthandshake-Verbindung werden dann auch noch die Leitungen DSR und DTR verbunden. DCD gehört zu den
eher unwichtigen Signalen und wird nur dann benötigt, wenn dem DTE ein Modem „vorgegaukelt“ werden soll.
2.1.3 Mehrdrahtverbindung
Full-Color
Black
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 7
Abbildung 3: Mehrdrahtverbindung
Black Box Tipp
Sie wissen nicht ob Ihr Gerät einen DTE- oder DCE-Port hat und Sie verfügen nicht über ein spezielles RS232-Messgerät, aber
einen Volt- bzw. Multimeter.
Schalten Sie Ihr Gerät ein und belassen Sie es in diesem Ruhezustand (keine Daten senden).
Bei DB 9: Messen Sie zwischen Pin 5 und Pin 2 eine Spannung zwischen + 3 und + 15 V (bzw. – 3 und – 15 V), dann handelt es
sich um ein DCE. Messen Sie diese Spannung aber zwischen Pin 5 und Pin 3, handelt es sich um ein DTE.
Bei DB 25 Spannung zwischen Pin 7 und Pin 2 = DTE Spannung zwischen Pin 7 und Pin 3 = DCE
2.2 Das Datenpaket
Synchrone Datenpakete bestehen aus dem Datenblock und dem Zeichenrahmen, den sogenannten Synchronisierungszeichen.
Abbildung 4: Synchrones Datenpaket
Full-Color
Black
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 8
Asynchrone Datenpakete können unterschiedliches Aussehen haben, je nach Anzahl der Stop- und Paritätsbits.
Abbildung 5: Asynchrones Datenpaket
Ein asynchrones Datenpaket kann 1, 1 ½ oder 2 Stopbits enthalten.
Das Paritätsbit ist optional. Hiermit kann eine zusätzliche Übertragungskontrolle (Paritätsprüfung) stattfinden.
Das Paritätsbit kann auf even (gerade) oder odd (ungerade) gesetzt werden, oder es wird ganz darauf verzichtet.
Parität
Datenwort
Bit
gerade
even parity
0 0 1 1 0 1 0
0 1 0 1 0 1 1
1
0
Gerade Parität
Ist die Anzahl der 1-Bits gerade, so ist das Paritätsbit =0
Parität
Datenwort
Bit
ungerade
odd parity
0 0 1 1 0 1 0
0 1 0 1 0 1 1
0
1
Ungerade Parität
Ist die Anzahl der 1-Bits ungerade, so ist das Paritätsbit =0
Tabelle 1: Gerade und ungerade Parität
Full-Color
Black
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 9
Um Abtastfehler des Signals beim Empfänger zu vermeiden, wird der Datenstrom vom Empfänger pro Signalschritt mindestens
zweimal abgetastet (somit ist sichergestellt, dass das Signal mindestens einmal in der Mitte abgetastet wird), üblicherweise mit
einem Vielfachen der Übertragungsgeschwindigkeit.
2.3 Die Steckertypen
RS232 benutzt sowohl Sub-D 9, wie auch Sub-D 25 Stecker/Buchsen.
Die Pinbelegung:
male / Stecker
CD: Carrier Detect (Eingang) 1
RD: Receive Data (Eingang) 2
TD: Transmit Data ( Ausgang) 3
DTR: Data Terminal Ready (Ausg). 4
SG: Signal Ground 5
female / Buchse
6 DSR: Data Set Ready (Eingang)
7 RTS: Ready to Send (Ausgang)
8 CTS: Clear to Send (Eingang)
9 RI: Ting Indicator (Eingang)
Abbildung 6: Pinbelegung Sub-D 9
RI – Ring Indicator (ankommender Ruf) stammt noch aus der Zeit, als die serielle Schnittstelle hauptsächlich der
Datenfernübertragung per Modem diente und wird heute skaum noch benötigt.
Sub-D 25 pin male/Stecker female/Buchse
RS-232 Interface (DB25)
Signal
Designation
PIN
Number
Secondary Transmitted Data 14
CDE Transmitter Signal Element Timing 15
Secondary Received Data 16
Receiver Signal Element Timing 17
18
Secondary Request to Send 19
Data Terminal Ready 20
Singal Quality Detector 21
Ring Indicator 22
Data Signal Rate Selector 23
DTE Transmitter Signal Element Timing 24
25
Full-Color
Black
PIN
Number
Signal
Designation
1 Protective Ground
2 Transmitted Data
3 Received Data
4 Request to Send
5 Clear to Send
6 Data Set Ready
7 Signal Ground/Common Return
8 Received Line Signal Detector (DCD)
9 + Voltage
10 - Voltage
11
12 Secondary Received Line Signal Detector
13 Secondary Clear to Send
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 10
Auch hier finden wir eine Menge Signal-Pins, die heute nur noch wenig benötigt werden bzw. optional sind, oder nur
bei synchroner Datenübertragung benutzt werden.
CG Protective Ground (Schutzerde)
TV+ + Voltage (positive Prüfspannung)
TV- - Voltage (negative Prüfspannung)
TXC Transmit Clock (DCE Transmitter Signal Element Timing), Sendetakt
RXC Receive Clock (Receiver Signal Element Timing), Empfangstakt
SQD Signal Quality Detector (Signalqualität)
CH Clock High (Data Signal Rate Selector), hohe Empfangsfrequenz
Achtung
Zu beachten ist, daß die Signale Transmit und Receive bei den DB9- und DB25-Steckern/Buchsen
genau entgegengesetzt aufgelegt sind.
Ein Kabel DB9 zu DB25, bei dem Pin 2 auf der einen Seite mit Pin 3 auf der anderen Seite verbunden ist (und umgekehrt), ist also kein gekreuztes, sondern ein gerades Kabel !
1 2 3 4
1 2 3 456
1 2 3 4 5678
In der letzten Zeit finden auch RJ45 Stecker immer mehr Gebrauch bei RS232-Geräten (RS232D).
RJ45 Stecker
678
RJ45 Buchse
45
123
PIN
Nr.
1
Art des Signals
Bezeichnung
DTE
DCE
DCE Ready, Ring Indicator
DSR/RI
f
g
2
Received Line Signal Detector
DCD
f
g
3
DTE Ready
DTR
g
f
4
Signal Ground
SG
5
Received Data
RXD
f
g
6
Transmitted Data
TxD
g
f
7
Clear To Send
CTS
f
g
8
Request To Send
RTS
g
f
Tabelle 2: Pinbelegung RS232D
Dies ist die gebräuchlichste Belegung, aber es gibt durchaus auch andere.
Full-Color
Black
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 11
3. Anwendungsbeispiele
Fall 1: Druckersystem
Ein älteres serielles Druckersystem soll mit einem Terminal, welches sich in einem 500 Meter entfernten Raum befindet,
über die vorhandene CAT-5-Verkabelung verbunden werden.
Da das Druckersystem Hardware-Handshaking benötigt, eignet sich ein CAT-5-Leitungsverstärker, der die HandshakeSignale mit überträgt (z.B. ME890A von Black Box).
Local Unit
Remote Unit
(ME890A)
(ME890A)
CAT5 STP Kabel
Drucker
Terminal
Fall 2: Bedienung Serverkonsolen
In einem Rechenzentrum sollen 28 serielle Serverkonsolen von einem remote PC über das vorhandene LAN bedient
werden. Hierzu eignen sich serielle Konsoleport-Server (z.B. Black Box LS1032A) hervorragend.
Full-Color
Black
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 12
Fall 3: Barcode Zugangssystem
Ein Nebeneingang einer Fabrik besitzt ein Barcode Zugangssystem. Die auf Chipkarten befindlichen Zugangs-Barcodes
werden ausgelesen und sollen als serielle Daten über eine vorhandene Telefonleitung (4-Draht) an das etwa 1,5 km
entfernte System gesendet werden. Da die Schnittstellen des Systems nicht ausreichend Power für schnittstellengetriebene Leitungstreiber liefern, müssen die Leitungstreiber über eigene Netzteile verfügen (z. B. ME800A-E).
4 Draht-Telefonkabel
ME800A-E
Zugangssystem
Full-Color
Black
ME800A-E
Barcode-Lesegerät
0811/5541-110 | black-box.de
Seite 13