EESC-USPMicroprocessadores:Padrões de comunicação serial(RS-422, 423, 449 e 485)Mario Gazziro
• Consiste na transferência de informações entredispositivos eletrônicos;• Os dispositivos podem se conectar diretamente (...
TopologiasEnquanto a velocidade for relativamente baixa e as distânciasrelativamente curtas, a influência da topologia da ...
• Simplex (unidirecional)• Half-duplex (bidirecional – alternada)• Full-duplex (bidirecional – simultânea)Comunicação de D...
Linhas de ComunicaçãoBalanceadas (diferenciais)Os circuitos transmissores e receptores adotados nestas interfacesutilizam ...
Linhas de ComunicaçãoBalanceadas (diferenciais)Uma margem de ruído de ±0,2 V é definida para aumentar a tolerânciaa interf...
A especificação da camada física (ou seja, níveis elétricose condutores) para comunicações de dados é definidapelas normas...
Tabela comparativa simplificadaentre as normasNorma Linha Balanceada ? Distância Máxima Qualquer nó podetransmitir ?EIA RS...
A norma RS422 descreve uma interface de comunicação operando emlinhas diferenciais capaz de interligar um dispositivo tran...
• Características:– Norma define características elétricas– Velocidade de 10 Mbps– Sinal balanceado (0 e 5 V)– Cabo com at...
• Características:– Impedância de saída do driver < 100 Ω– Impedância de entrada do receptor > 4 kΩ– Tensão entre linhas (...
RS-422
• Características:– Até 10 receptores em paralelo– Cabo ou par trançado– Espessura mínima: 24 AWG– O comprimento do cabo é...
• Características:– Até 300 kbps para distâncias de 12 metros– Até 3 kbps para distâncias de 1200 metros– Sinal não balanc...
• Características:– Impedância de saída do driver < 500 Ω– Impedância de entrada do receptor < 4 kΩ– Tensão de saída do dr...
RS-423
• Características:– Define interface funcionais e mecânicas– Projetado para substituir a RS-232-C, porémsão incompatíveis ...
A norma RS-485 descreve uma interface de comunicação operandoem linhas diferenciais capaz de se comunicar com 32 “unidades...
• Características:– Define as características elétricas– Ligações em redes (multiponto)– Velocidade de 10 Mbps– Drivers tr...
• Características:– 1 único driver pode transmitir para até 32receptores (impedância de linha < 60 Ω)– A comunicação é fei...
A impedância de entrada de um receptor RS-485 é especificadapara ser maior ou igual a 12 k ohms.A especificação define a c...
O RS-422 é especificado como um padrão simplex multi-canais, oque significa que apenas 1 driver (transmissor) e até 10 rec...
Comparação entre as normasRS-422 e RS-485
Simplex RS-485
Half-Duplex RS-485Enlaces de dados half-duplex no RS-485 possuem múltiplos drivers(transmissores) e múltiplos receptores n...
Full-Duplex RS-485Enlaces de dados full-duplex no RS-485 utiliza uma configuração de 4fios por cabo.Esse configuração perm...
Rede RS-485 Mestre-Escravo
TerminaçõesA teoria de comunicações descreve a necessidade determinação de linhas de comunicação com um valor deimpedância...
Sem TerminaçãoRedes não-terminadas são baratas, de menor consumo e simples deimplementar.A desvantagem clara é que as taxa...
Terminação ParalelaA terminação paralela oferece excelentes taxas de comunicação, masé limitada à redes com um único drive...
Terminação Bidirecional(também chamada de AC)A terminação bidirecional (AC), que oferece uma excelente integridadedo sinal...
Terminação Bidirecional(também chamada de AC)Um resistor e um capacitor devem ser instalados em série com relaçãoao barram...
Análise comparativa dasterminaçõesTerminação Vantagens DesvantagensSem Terminação Simples, baixo consumo Indicada apenas p...
Taxa de transferência ecomprimento do caboTanto a RS-422 quanto a RS-485 especificam um comprimentomáximo de 1200 metros p...
Taxa de transferência ecomprimento do cabo
Tolerância à falhasEm sistemas de comunicação diferenciais, tipicamente é utilizadatransmissão assíncrona de dados.Um bit ...
Tolerância à falhasQuando o barramento esta disponível (idle), em nível de tensãodiferencial deve ser 0 volt (Va – Vb).Nes...
Tolerância à falhasQuando os sinais foram maior do que+200 mV ou menores do que -200 mV,O nível lógico de RO fica assegura...
Tolerância à FalhasEsse problema pode ser solucionado inserindo um resitor de pull-up eum resistor de pull-down no barrame...
Tolerância à Falhas
Tolerância à Falhas
Tolerância à Falhas RealAs novas gerações de transceiversapresentam uma característicachamada “tolerância à falhas real”,a...
Tolerância à Falhas RealNa condição de barramentodisponível, ou seja, Va-Vb, temos0 volt, ou seja, valor o qual é maiordo ...
IsolamentoEm aplicações utilizando RS-485 ou RS-422 frequentemente existemlongos enlaces, o que pode ocasionar um potencia...
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Proteção deSobrevoltagem Transiente
ReferênciasANSI/TIA/EIA-485-A-1998: Electrical Characteristics of Generators andReceivers for use in Balanced Digital Mult...
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Microprocessadores: Padrões de comunicação serial (RS-422, 423, 449 e 485)

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Microprocessadores: Padrões de comunicação serial (RS-422, 423, 449 e 485)

  1. 1. EESC-USPMicroprocessadores:Padrões de comunicação serial(RS-422, 423, 449 e 485)Mario Gazziro
  2. 2. • Consiste na transferência de informações entredispositivos eletrônicos;• Os dispositivos podem se conectar diretamente (ponto-a-ponto) ou formar redes (em diferentes topologias);• A comunicação entre dispositivos se dá através de 3maneiras diferentes: simplex, half-duplex ou full-duplex.• Podem ser utilizadas linhas de comunicação não-balanceadas ou balanceadas (diferenciais)Comunicação de Dados
  3. 3. TopologiasEnquanto a velocidade for relativamente baixa e as distânciasrelativamente curtas, a influência da topologia da rede em seudesempenho não é significativa.Contudo, quando os efeitos de linhas de transmissão começam aaparecer, há apenas uma topologia simples que permite gerenciarestes efeitos.Ao lado são apresentados algunstipos de topologias. Apenas no tipo“daisy chain”, onde todos os dispositivossão conectados diretamente aoscondutores da linha de comunicaçãoprincipal, é fácil controlar as reflexõescausadoras de erros de comunicação.
  4. 4. • Simplex (unidirecional)• Half-duplex (bidirecional – alternada)• Full-duplex (bidirecional – simultânea)Comunicação de DadosPonto A Ponto BPonto A Ponto BPonto A Ponto B
  5. 5. Linhas de ComunicaçãoBalanceadas (diferenciais)Os circuitos transmissores e receptores adotados nestas interfacesutilizam como informação a diferença entre os níveis de tensão emcada condutor do par trançado.Os códigos binários são identificados pela polaridade (+ ou -) dadiferença de tensão entre os condutores do par, ou seja, quando atensão no condutor “+” for maior que no condutor “-”, é caracterizadoum nível lógico “1”; quando, ao contrário, a tensão no condutor “-” formaior que no condutor “+”, é caracterizado um nível lógico “0”.
  6. 6. Linhas de ComunicaçãoBalanceadas (diferenciais)Uma margem de ruído de ±0,2 V é definida para aumentar a tolerânciaa interferências. Esta técnica resulta no cancelamento de ruídosinduzidos no meio de transmissão, pois se o mesmo ruído é induzidonos 2 condutores, a diferença de tensão entre eles não se altera e ainformação é preservada.A interferência eletromagnética emitida por um barramento decomunicação diferencial é também menor que a emitida porbarramentos de comunicação não-diferenciais.
  7. 7. A especificação da camada física (ou seja, níveis elétricose condutores) para comunicações de dados é definidapelas normas:• EIA RS-422• EIA RS-423• EIA RS-449• EIA RS-485OBS: Essas normas não definem os protocolos(codificação, bits de controle, taxas de transmissão, etc)Normas Técnicas
  8. 8. Tabela comparativa simplificadaentre as normasNorma Linha Balanceada ? Distância Máxima Qualquer nó podetransmitir ?EIA RS-422 Sim 1200 metros NãoEIA RS-423 Não 1200 metros NãoEIA RS-449 Não 30 metros NãoEIA RS-485 Sim 1200 metros Sim
  9. 9. A norma RS422 descreve uma interface de comunicação operando emlinhas diferenciais capaz de interligar um dispositivo transmissor aaté 10 receptores.O meio físico definido para a RS-422 são dois pares trançados, sendoum utilizado para comunicação no sentido do transmissor(usualmente o mestre) para os receptores (usualmente escravos).O segundo par trançado é utilizado para comunicação dos escravospara o mestre.Como múltiplos escravos precisam transmitir através de um mesmopar de fios, estes precisam comutar seus transmissores de formaque em um mesmo instante de tempo, somente o transmissor deum escravo esteja ativo.A utilização de dois pares permite que no mesmo instante de tempoocorram transmissão e recepção de dados entre o mestre e umescravo.A possibilidade de transmissão e recepção simultânea caracteriza aRS-422 como full-duplex.RS-422
  10. 10. • Características:– Norma define características elétricas– Velocidade de 10 Mbps– Sinal balanceado (0 e 5 V)– Cabo com até 1200 metros (par trançado)– Não define o tipo de conector– Circuitos integrados:• SN75159• SN75157RS-422
  11. 11. • Características:– Impedância de saída do driver < 100 Ω– Impedância de entrada do receptor > 4 kΩ– Tensão entre linhas (VAB)de 2 a 6 V• VAB positivo  nível lógico 1• VAB negativo  nível lógico 0– Sensibilidade do receptor: VAB > 200 mVRS-422
  12. 12. RS-422
  13. 13. • Características:– Até 10 receptores em paralelo– Cabo ou par trançado– Espessura mínima: 24 AWG– O comprimento do cabo é limitado pelavelocidade de comunicação:• 100 kbps  1200 metros• 10 Mbps  12 metrosRS-422
  14. 14. • Características:– Até 300 kbps para distâncias de 12 metros– Até 3 kbps para distâncias de 1200 metros– Sinal não balanceado– Circuitos integrados:• 26LS30• 26LS32RS-423
  15. 15. • Características:– Impedância de saída do driver < 500 Ω– Impedância de entrada do receptor < 4 kΩ– Tensão de saída do driver: até 6 V– Tensão de saída diferencial:• Tensão positiva  nível lógico 0• Tensão negativa  nível lógico 1RS-423
  16. 16. RS-423
  17. 17. • Características:– Define interface funcionais e mecânicas– Projetado para substituir a RS-232-C, porémsão incompatíveis elétrica e mecanicamente– O conector possui 37 pinosRS-449
  18. 18. A norma RS-485 descreve uma interface de comunicação operandoem linhas diferenciais capaz de se comunicar com 32 “unidades decarga”.Normalmente, um dispositivo transmissor/receptor corresponde a uma“unidade de carga”, o que faz com que seja possível comunicarcom até 32 dispositivos. O meio físico mais utilizado é um partrançado.Através deste único par de fios, cada dispositivo transmite e recebedados. Cada dispositivo aciona o seu transmissor apenas noinstante que necessita transmitir, mantendo-o desligado no resto dotempo de modo a permitir que outros dispositivos transmitamdados.Em um determinado instante de tempo, somente um dispositivo podetransmitir, o que caracteriza esta rede como half-duplex.Uma rede RS-485 pode também utilizar 2 pares trançados, operandono modo full-duplex.RS-485
  19. 19. • Características:– Define as características elétricas– Ligações em redes (multiponto)– Velocidade de 10 Mbps– Drivers tri-state– O par trançado pode conter até 32 drivers e32 receptoresRS-485
  20. 20. • Características:– 1 único driver pode transmitir para até 32receptores (impedância de linha < 60 Ω)– A comunicação é feita por duas linhas (A e B)no modo diferencial (balanceado).RS-485
  21. 21. A impedância de entrada de um receptor RS-485 é especificadapara ser maior ou igual a 12 k ohms.A especificação define a capacidade de sustentar até 32 cargasunitárias.Alguns receptores tem sua especificação em ¼ UL (um quarto decarga unitária – unity load) , o que significa que esses dispositivossobrecarregam o barramento apenas em ¼, podendo serconectados até 128 deles (32 x ¼ UL), se todos similares.RS-485:conceito de carga unitáriaUnidade de Carga Número de NósImpedância de entradamínima do receptor1 32 12 k ohms½ 64 24 k ohms¼ 128 48 k ohms1/8 256 96 k ohms
  22. 22. O RS-422 é especificado como um padrão simplex multi-canais, oque significa que apenas 1 driver (transmissor) e até 10 receptorespodem ser conectados ao mesmo barramento.Se mais de 1 driver (transmissor) necessita ser interligado aomesmo barramento, então o padrão RS-485 é recomendado.O RS-485 é especificado como um padrão multiponto, o quesignifica que até 32 transceivers (transmissores/receptores) podemser conectados ao mesmo barramento.RS-422 ou RS-485 ?
  23. 23. Comparação entre as normasRS-422 e RS-485
  24. 24. Simplex RS-485
  25. 25. Half-Duplex RS-485Enlaces de dados half-duplex no RS-485 possuem múltiplos drivers(transmissores) e múltiplos receptores no mesmo barramento.Em função disso, os transceptores devem possuir um pino de habilitação(enable), habilitando apenas 1 driver a enviar dados por vez.Essa configuração permite a transmissão de dados em ambas asdireções, porém, de um lado de cada vez.
  26. 26. Full-Duplex RS-485Enlaces de dados full-duplex no RS-485 utiliza uma configuração de 4fios por cabo.Esse configuração permite que a comunicação seja realizada nos doissentidos e ao mesmo tempo, porém sendo um sentido do Mestre para osEscravos, e no outro sentido, dos Escravos para o Mestre.
  27. 27. Rede RS-485 Mestre-Escravo
  28. 28. TerminaçõesA teoria de comunicações descreve a necessidade determinação de linhas de comunicação com um valor deimpedância correspondente à impedância característicada linha de transmissão.A correta terminação atenua reflexõesque distorcem os dados transmitidos,aumentando os limites de velocidadee/ou comprimento da rede.
  29. 29. Sem TerminaçãoRedes não-terminadas são baratas, de menor consumo e simples deimplementar.A desvantagem clara é que as taxas de comunicação devem serlentas ou os cabos curtos o bastante para manter a rede confiável.Redes com cabos curtos (até 100 m) e operando a baixa velocidade(até 19200 bps) operam adequadamente mesmo sem a utilizaçãode resistores de terminação.
  30. 30. Terminação ParalelaA terminação paralela oferece excelentes taxas de comunicação, masé limitada à redes com um único driver, onde um dispositivo fala eos demais apenas escutam como é o caso de cada um dos paresde redes RS-422 ou RS-485 full-duplex.Nesses casos, o driver deve ser posicionado em uma extremidade darede e o resistor de terminação na outra.A impedância característica de um par trançado é deaproximadamente 120 ohms, sendo este um valor adequado para oresistor de terminação a ser instalado.
  31. 31. Terminação Bidirecional(também chamada de AC)A terminação bidirecional (AC), que oferece uma excelente integridadedo sinal.Com esta técnica, os drivers podem estar localizados em qualquerponto da rede.A desvantagem é que o consumo da rede aumenta. Este é,seguramente, um dos métodos mais confiáveis de terminação.
  32. 32. Terminação Bidirecional(também chamada de AC)Um resistor e um capacitor devem ser instalados em série com relaçãoao barramento (entre A e B), como apresentado na figura abaixo:A escolha do capacitor é definida pela relação a seguir:C(pF)> 2(Atraso em um sentido no cabo (pS) ) / Impedância característica (ohms)
  33. 33. Análise comparativa dasterminaçõesTerminação Vantagens DesvantagensSem Terminação Simples, baixo consumo Indicada apenas para conexõescurtas com drivers lentosTerminação Paralela Simples Alto consumoTerminaçãoBidirecional (AC)Drivers podem estar emqualquer ponto da redeIndicada apenas para baixastaxas de transferência econexões curtas
  34. 34. Taxa de transferência ecomprimento do caboTanto a RS-422 quanto a RS-485 especificam um comprimentomáximo de 1200 metros para os cabos de comunicação.A velocidade máxima de comunicação (em bits por segundo – bps)depende de características dos equipamentos instalados, dacapacitância dos cabos de comunicação e dos resistoresdeterminação instalados.Como regra geral quanto mais longo os cabos, menor deve ser avelocidade de comunicação.Como orientação, não se deve esperar problemas de comunicaçãoquando o produto entre o comprimento dos cabos (em metros) e avelocidade de comunicação (em bits por segundo - bps) for menorque 10 (100.000.000).⁸
  35. 35. Taxa de transferência ecomprimento do cabo
  36. 36. Tolerância à falhasEm sistemas de comunicação diferenciais, tipicamente é utilizadatransmissão assíncrona de dados.Um bit de inicio indica o começo de uma sequência de bits e édetectado quanto uma transição de borda negativa ocorre (de nívelalto para nível baixo).Os bits de dados (usualmente 7 ou 8) são então enviados, seguidospor um bit de paridade.Por fim, um ou dois bits de parada indicam a finalização da sequência.A partir daí, um novo bit de inicio iniciará uma nova sequência.Porém, após o último dado ser enviado, a linha de transmissão devepermanecer em nível alto até a chegada do próximo bit de início.Isso pode causar problemas em sistemas multi-ponto, quando ostransceivers conectados ao barramento estão no modo de recepçãosimultâneamente.
  37. 37. Tolerância à falhasQuando o barramento esta disponível (idle), em nível de tensãodiferencial deve ser 0 volt (Va – Vb).Nessa situação, o pino de saída do receptor (R.O. - receptor output)produz uma saída indefinida pelo padrão RS-485, e logo, podegerar dados aleatórios.Tais dados estão conectados a UART (universal asynchrounousreceive transmitter) do microprocessador, e podem gerar operaçõeserradas no sistema.
  38. 38. Tolerância à falhasQuando os sinais foram maior do que+200 mV ou menores do que -200 mV,O nível lógico de RO fica assegurado.Porém, dentro do limite -200 à +200 mVO nível lógico não fica assegurado!/RE Entrada A-B RO1 >= +200 mV 11 <= -200 mV 01 -200 mV <= (A-B) <= +200 mV X0 X Alta-impedância
  39. 39. Tolerância à FalhasEsse problema pode ser solucionado inserindo um resitor de pull-up eum resistor de pull-down no barramento, conforme figura abaixo.Assumindo que Rt seja igual a 120 ohms, os valores de R, R1 e R2podem ser definidos como:
  40. 40. Tolerância à Falhas
  41. 41. Tolerância à Falhas
  42. 42. Tolerância à Falhas RealAs novas gerações de transceiversapresentam uma característicachamada “tolerância à falhas real”,a qual elimina a necessidade deresistores de pull-up e pull-down.Nesses dispositivos, o valor de limiarfoi reajustado de:+200 mV à -200 mVpara-30 mV à -200mV ,conforme diagrama ao lado
  43. 43. Tolerância à Falhas RealNa condição de barramentodisponível, ou seja, Va-Vb, temos0 volt, ou seja, valor o qual é maiordo que -30 mV.Se TODOS os transceiversconectados ao barramentopossuirem essa característica, asaída do receptor será SEMPREdefinida!LÓGICO 0
  44. 44. IsolamentoEm aplicações utilizando RS-485 ou RS-422 frequentemente existemlongos enlaces, o que pode ocasionar um potencial de aterramentoligeiramente diferente dentre os diversos nós do sistema.Motores, chaveadores, e demais equipamentos eletricamente ruidosospodem induzir ruídos no aterramento.Fluxo de corrente noaterramento barrado!
  45. 45. Isolamento
  46. 46. Proteção deSobrevoltagem Transiente
  47. 47. ReferênciasANSI/TIA/EIA-485-A-1998: Electrical Characteristics of Generators andReceivers for use in Balanced Digital Multipoint Systems.ANSI/TIA/EIA-422-B-1994: Electrical Characteristics of Balanced VoltageDigital Interface Circuits.RS-485/RS-422 Circuit Implementation Guide, Hein Marais, AnalogDevices Inc, AN-960.Axelson, Jay. 1998. Serial Port Complete : Programming and Circuits forRS-232 and RS-485 Links and Networks, Lakeview Research.Clark, Sean. 2004. AN-727, iCoupler® Isolation in RS-485 ApplicationsApplication Note. Analog Devices, Inc. (June).

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