TRASMISSIONE DATI (2/6)

4.4. Interfaccia seriale EIA RS232-C

L'interfaccia seriale americana EIA RS232-C (EIA= Electronic Industries Associates), corrispondente alla V.24/V.28 dell'ITU-T, è uno standard di collegamento seriale che può essere di tipo sincrono o asincrono tra un dispositivo di comunicazione DCE come, ad esempio, il modem (Data Communication Equipement) e un dispositivo terminale DTE, come, ad esempio, il computer (Data Terminal Equipement) con velocità di trasmissione inferiore o uguale a 19.2Kbps (questo limite è oramai superato).

L'interfaccia è costituita da un insieme di 25 linee, non tutte indispensabili, che trasportano i bit di dati, segnali di controllo e la massa.

Nel collegamento tra un computer ed un dispositivo periferico vengono adoperati dei connettori miniatura tipo D a 25 poli. Sul DTE (computer, ad esempio) si trova la spina (connettore maschio) mentre sul DCE (modem) si trova la presa (connettore femmina). In alcuni DCE (ad esempio, il mouse seriale) manca la presa esterna poiché il cavo di collegamento entra direttamente nell'apparecchiatura.

I tipici dispositivi periferici che si possono collegare ad un computer via RS232 sono il drive per dischetti, la stampante, il modem, il mouse ecc.

4.4.1. Caratteristiche meccaniche ed elettriche

In fig.9a si mostra il connettore a 25 poli per la RS-232C le cui caratteristiche meccaniche sono normalizzate secondo lo standard ISO 2110 della International Standard Organization. In molte applicazioni pratiche non si utilizzano tutte le linee ma solo una piccola parte di esse. In tal caso si fa uso di un connettore ridotto a 9 poli come quello in fig.9b.

Il significato di tali linee sarà descritto nelle pagine successive.

Qualunque sia la linea (dati, clock o controlli), il circuito elettrico equivalente di tale interfaccia tra il trasmettitore e il ricevitore quello indicato in fig.10.

• V_T = f.e.m. del trasmettitore a circuito aperto;
• R_T = Resistenza interna del trasmettitore;
• C_T = Capacità equivalente del trasmettitore;
• C_L = Capacità equivalente del ricevitore;
• R_L = Resistenza d'ingresso del ricevitore;
• V_L = f.c.e.m. del ricevitore a circuito aperto;
• V_i = d.d.p. all'interfaccia.
  

In tale standard si definisce mark la tensione V_i di valore inferiore a -3V e si definisce space quella superiore a +3V. Durante la trasmissione si associa il livello logico 1 a mark e 0 a space. Si osserva subito che i livelli logici sono bipolari e in logica negativa (tensione positiva=0; tensione negativa=1). Tipicamente i valori di tensione assunti sono ±12V.

La resistenza di carico del ricevitore R_L deve essere compresa tra 3K e 7K, la capacità C_L in parallelo al carico deve essere inferiore a 2.5nF e la f.c.e.m. VL non deve superare i 2V.

La f.e.m. V_T del driver del trasmettitore non deve superare i 25V, R_T e C_T non sono specificati ma devono essere tali da evitare una corrente di corto circuito superiore a 0.5A e da consentire una Vi compresa tra 5 e 15V.

Poiché la capacità per unità di lunghezza di un cavo è di circa 200pF/metro si evince che la massima distanza tra i dispositivi collegati in tale standard non deve superare i 12-15 metri. In tabella 2 si descrive la piedinatura del connettore a 9 e 25 poli, il nome e la descrizione delle linee della RS-232C.

4.4.2. Caratteristiche funzionali dell'interfaccia ITU-T V.24

Si descrivono le caratteristiche funzionali delle linee dell'interfaccia V.24 esaminate nella precedente tabella 2. Nella trasmissione dati tra un DTE e un DCE il numero di linee utilizzate dipende dal tipo di collegamento e dai modem impiegati.

C101= Massa di protezione.
Linea collegata alla massa dei segnali C102 all'interno del modem.

C102=Massa dei segnali.
Linea comune di riferimento per tutti i circuiti di interfaccia.

C103=Dati in trasmissione (DTE DCE)
I dati binari in forma seriale generati dal DTE viaggiano verso il DCE. In assenza di trasmissione tale linea è nello stato MARK (tensione negativa).

C104=Dati in ricezione (DCE DTE)
I dati binari in forma seriale generati dal DCE viaggiano verso il DTE.

C105=Richiesta di trasmissione (DTE DCE)
Tale segnale obbliga il modem a trasmettere la portante in linea entro 2ms. Se la linea è nello stato di riposo il modem interrompe la trasmissione entro 2ms.

C106=Pronto a trasmettere (DCE DTE)
Tale segnale indica che il DCE è pronto a trasmettere in linea e rappresenta la risposta alla linea C105 purché il modem sia connesso alla linea telefonica.
Il tempo di risposta in corrispondenza della prima richiesta di trasmettere è compreso tra 750 e 1400ms. ed è compreso tra 22 e 40ms. nelle successive richieste di trasmissione.

C107=Modem pronto (DCE DTE)
Questo segnale indica al DTE che il modem è collegato alla linea telefonica e che non è in condizioni di prova. Nei modem in banda base tale linea è sempre attiva.

C108=DTE pronto (DTE DCE)
L'attivazione di questa linea provoca il collegamento del modem alla linea telefonica qualunque sia la condizione delle altre linee. Questa linea, inoltre, indica che il DTE è pronto sia a trasmettere che a ricevere i dati.

C109=Portante in ricezione (DCE DTE)
Questa linea generata dal DCE informa il DTE che la portante in linea è ad un livello superiore alla soglia di ricezione.

C110=Rivelatore della qualità del segnale (DCE DTE)
Questa linea generata dal DCE informa il DTE che non ci sono ragioni per credere che i dati ricevuti siano errati.

C111=Selezione di velocità (DTE DCE)
L'attivazione di tale linea obbliga il modem a scegliere la velocità più elevata. Il livello logico opposto imposta la velocità più bassa (per modem 1200bps/600bps).

C112=Selezione velocità (DCE DTE)
Se la scelta della velocità è fatta dal modem, quest'ultimo avverte il DTE della velocità selezionata : lo stato ON sceglie la velocità più alta, lo stato OFF quella più bassa. Questa linea utilizza lo stesso pin del C111 ed è ad esso alternativa.

C113=Clock di trasmissione da DTE (DTE DCE)
Questa linea rappresenta il clock generato dal DTE. Le transizioni ON-OFF devono coincidere con la posizione centrale su ciascun bit della linea C103.

C114=Clock di trasmissione da DCE (DCE DTE)
Questa linea rappresenta il clock generato dal DCE. Durante le transizioni OFF-ON il DTE deve generare il bit successivo su C103.

C115=Clock in ricezione (DCE DTE)
Questa linea rappresenta il clock per i dati che il DTE riceve su C104. La forma d'onda è quadra e la transizione ON-OFF indica il centro del bit ricevuto su C104.

C118=Trasmissione dati sul supervisore (DTE DCE)
Questa linea svolge le stesse funzioni del C103 ma si riferisce al canale supervisore. Per i modem a 1200bps il canale supervisore è a 75 bps.

C119=Ricezione dati sul supervisore (DCE DTE)
Questa linea svolge le stesse funzioni del C104 ma si riferisce al canale supervisore. Per i modem a 1200bps il canale supervisore è a 75 bps.

C120=Richiesta di trasmissione sul canale supervisore (DTE DCE)
Questa linea svolge le stesse funzioni del C105 ma si riferisce al canale supervisore.

C121=Pronto a trasmettere sul canale supervisore (DCE DTE)
Questa linea svolge le stesse funzioni del C106 ma si riferisce al canale supervisore.

C122=Rivelatore segnale di linea dati supervisore (DCE DTE)
Questa linea svolge le stesse funzioni del C109 ma si riferisce al canale supervisore.

C123=Rivelazione qualità segnale (DCE DTE)
Questa linea svolge le stesse funzioni del C110 ma si riferisce al canale supervisore.

C125=Chiamata in arrivo (DCE DTE)
L'attivazione di questa linea indica al DTE che il modem ha ricevuto una chiamata telefonica. La risposta del DTE sulla linea C108 provoca la connessione del modem alla linea (risposta automatica).

C126=Scelta della frequenza in trasmissione (DTE DCE)
Linea che serve alla scelta della frequenza del modem quando questo prevede due canali.

4.4.3. Conversione TTL RS-232 e viceversa

Per trasformare un livello logico TTL in RS-232 compatibile occorre un traslatore di livello in modo che il valore di tensione compreso tra +2V e +5V ( 1 logico TTL ) si trasformi in -12V mentre un valore di tensione compreso tra 0 e 0.8V (0 logico TTL) si trasformi in +12V.

Vi sono integrati in grado di convertire un livello TTL in RS-232C e viceversa come, ad esempio, il 1448 e 1449 (fig.11).

Il primo converte un livello TTL in RS-232C. Ha bisogno di doppia alimentazione (da ±12V a ±15V) e contiene 4 dispositivi di tipo invertente. Il secondo, invece, converte un livello RS-232 in TTL. E' alimentato con una tensione di alimentazione a +5V e contiene 4 elementi invertenti. Il collegamento bidirezionale seriale tra due dispositivi che lavorano con segnali TTL si può effettuare come in fig.12.

I valori di tensione assegnati allo standard RS-232C consentono di ottenere una elevata immunità al rumore che aumenta all'aumentare della "distanza" tra i due livelli logici.

4.4.4. Collegamento null-modem

Per collegare tra di loro due computer con l'interfaccia seriale RS-232 si deve preparare un cavo, noto come cavo null modem, con almeno tre fili (RxD, TxD e GND) e due connettori a 25 poli femmine da porre alle due estremità del cavo. Occorre, però, fornire i corretti potenziali alle linee di ingresso che non si intendono utilizzare.

In fig.13 si mostra un tipico collegamento ove il pin 5 (linea di ingresso CTS) pilotato dallo stesso DTE attraverso il pin 4 (linea di uscita RTS). Analogamente la linea di uscita DTR (pin 20) va collegato ai pin 6 e 8 di ingresso (DSR e DCD, rispettivamente). Ciò vale per entrambi i computer.

In questo modo si "imbroglia" il computer ma si deve rinunciare al collegamento in handshake. La tecnica dell'handshake (letteralmente stretta di mano) consiste nel sincronizzare il collegamento attraverso due linee di controllo: il trasmettitore invia un livello logico di richiesta di invio (uscita RTS, pin 4) ed il ricevitore risponde con un livello logico di pronto a trasmettere (ingresso CTS pin 5); in pratica si autorizza il trasmettitore ad inviare i dati.

L'imbroglio (collegamento pin 4 e 5 dello stesso connettore) consiste nel fatto che il trasmettitore "autorizza se stesso" ad inviare dati.

Il collegamento dei pin 6, 8 e 20 dello stesso connettore realizza un "imbroglio" similare.

Fig. 13 Collegamento tra due computer via RS-232C con cavo NULL-MODEM.

Volendo un collegamento con handshake si devono utlizzare almeno 5 fili. In fig.14 si mostra un possibile collegamento.

I due computer, essendo collegati direttamente e non via modem, possono comunicare ad elevata velocità.

4.5. Interfacce RS-422-A e RS-423-A

Tali interfacce vengono usate per lavorare in ambienti ad elevato rumore, per collegamenti a distanza compresa tra alcune decine di metri ed alcuni Km. con velocità di trasmissione fino a 10Mbit/sec. Sia il trasmettitore che il ricevitore sono, per lo più, disponibili in forma integrata.

Lo standard EIA RS-422-A utilizza tensioni bilanciate mentre lo standard EIA RS-423-A utilizza tensioni sbilanciate.

4.5.1. Caratteristiche elettriche dello standard RS-422-A

In fig.15 si mostra il collegamento bilanciato tra un trasmettitore e un ricevitore nello standard RS-422-A.

L'uscita del trasmettitore è a livello logico 1 (mark) se la differenza di potenziale tra l'uscita non invertente e quella invertente è negativa e compresa tra -6V e -2V; è al livello logico 0 (space) se tale d.d.p. è positiva e compresa tra 2V e 6V. L'impedenza di uscita del trasmettitore deve essere inferiore a 100 e la corrente di uscita di cortocircuito non deve superare il valore di 150mA. M e M' sono, rispettivamente, la massa del trasmettitore e del ricevitore; tra loro è presente una d.d.p. v_m.

Il cavo di connessione deve avere impedenza caratteristica intorno a 100 per frequenze superiori a 100KHz e resistenza in continua inferiore a 240. Il classico doppino telefonico soddisfa questi requisiti.

La resistenza di terminazione R_t è opzionale e di valore coincidente con l'impedenza caratteristica del cavo al fine di impedire fenomeni di riflessioni.

Il ricevitore è costituito da uno stadio differenziale con impedenza di ingresso superiore a 4K e dotato di un buon CMRR al fine di eliminare gli eventuali segnali di modo comune.

L'interfaccia funziona correttamente se, in corrispondenza delle frequenze di modulazione pari a 100KHz, 1MHz e 10MHz, la distanza tra trasmettitore e ricevitore risulta inferiore, rispettivamente, a 1Km, 100m e 10m.

L'integrato DS3587 della NATIONAL SEMICONDUCTOR contiene quattro line driver con uscita TRI-STATE che soddisfano i requisiti dello standard RS-422-A. In fig.16 si mostra il circuito logico di tale dispositivo.

Fig. 16 Circuito logico del line driver DS3587.

L'integrato DS75107 della NATIONAL contiene due ricevitori (line receiver) con ingresso differenziale in grado di accettare segnali dello standard RS-422-A, uscita TRI-STATE e TTL compatibile ed è alimentato tipicamente con 5V. In fig.17 si mostra la piedinatura di tale dispositivo.

Fig. 17 Piedinatura del 75107.

4.5.2. Caratteristiche elettriche dello standard RS-423-A

In fig.18 si mostra il collegamento sbilanciato tra un trasmettitore e un ricevitore nello standard RS-423-A.

Il trasmettitore deve avere impedenza di uscita inferiore a 50 e deve produrre sul cavo di collegamento una d.d.p. compresa tra 4V e 6V. La tensione di uscita, rispetto a massa, deve essere negativa nello stato logico 1 (mark) e positiva nello stato logico 0 (space). La corrente d'uscita di cortocircuito deve essere inferiore a 150mA. Il segnale d'ingresso del ricevitore è la differenza di potenziale tra l'uscita e la massa M del trasmettitore.

Il cavo di connessione e il circuito ricevitore hanno le medesime caratteristiche descritte a proposito dello standard bilanciato RS-422-A.

La massima distanza operativa è legata all'interferenza tra circuiti adiacenti in quanto i circuiti sbilanciati sono sensibili a qualsiasi rumore differenziale. Aumentando la distanza fra trasmettitore e ricevitore aumenta l'influenza del rumore di modo comune. Ad esempio, nel caso di utilizzo di un doppino telefonico e tensione di uscita del trasmettitore picco-picco di 12V, dati empirici dicono che per un tempo di salita di 5s la lunghezza massima del cavo è di 150m. e la massima frequenza di modulazione permessa è di 60Kbit/sec. per assicurare che la diafonia non superi 1V di picco.