Serielle Schnittstellen -Technik
von Jens-Erich Lange

Technik der Seriellen Schnittstellen

Bei einem seriellen, asynchronen Datentransfer werden die einzelnen Bits, aus denen jedes Datenbyte besteht, in folgendem Datenformat nacheinander über eine Leitung übertragen.

Zeichen "A" = 01000001

Der Ruhezustand der Übertragungsleitung, der auch mit "Mark" bezeichnet wird, entspricht dem Pegel einer logischen "1". Die zur Übertragung verwendeten Spannungs- bzw. Strompegel können Sie der Beschreibung der einzelnen Schnittstellen entnehmen.

Die Übertragung eines Bytes beginnt mit einem vorangestellten Startbit, das als logische "0" gesendet wird. Anschließend werden nacheinander 5 bis 8 Datenbit, beginnend mit dem niederwertigsten (LSB) Bit, ausgegeben.

Dem letzten Datenbit kann ein Paritätsbit folgen, das zur Erkennung von Übertragungsfehlern dient. Das Paritätsbit bewirkt, dass bei gerader ("EVEN") Parität immer eine gerade bzw. bei ungerader ("ODD") Parität eine ungerade Anzahl von "1"-Bits übertragen wird. Das Ende des Zeichens wird wahlweise durch 1 oder 2 Stopbit gebildet.

Alle Bits werden sequentiell mit Geschwindigkeiten von 50..115200 Baud gesendet. Zur Vermeidung von Datenverlusten muss der Empfänger die Datenübertragung anhalten können, wenn keine weiteren Daten mehr verarbeitet werden können. Dieses sogenannte Handshake kann auf zwei Arten realisiert werden:

Hardware-Handshake: Der Empfänger steuert über Steuer-Leitungen die Handshake-Eingänge CTS und/oder DSR des Senders mit seinem Handshake-Ausgang DTR oder RTS.

Software-Handshake: Der Empfänger sendet zur Steuerung des Datenflusses spezielle Zeichen an den Sender (z.B. XON/XOFF).

RS232

Die Norm RS232 beschreibt die serielle Verbindung zwischen einem Datenendgerät (DTE) und einer Daten-Übertragungseinrichtung (DCE) mit ihren elektrischen und mechanischen Eigenschaften.

Obwohl die Norm lediglich diesen Verbindungstyp definiert, hat sich die RS232-Schnittstelle als genereller Standard für serielle Datenübertragungen über kurze Distanzen etabliert.

DTE und DCE unterscheiden sich grundsätzlich in der Belegung ihrer Steckverbinder. PCs, Drucker, Plotter oder der Main Port eines Terminals sind mit einer DTE-Belegung ausgestattet, während Modems und Drucker-Ports von Terminals DCE-Belegungen aufweisen. Eine Sonderstellung nehmen einige Plottertypen ein, die sowohl mit einer DCE- als auch mit einer DTE-Schnittstelle ausgerüstet sind.

Die RS232-Norm definiert als Standard-Steckverbindung einen 25 pol. SUB-D-Stecker. Die folgende Tabelle zeigt die Beziehung zwischen den 9-poligen und den 25-poligen Anschlüssen sowie einigen gebräuchlichen Bezeichnungen der Signale.

Aus der Tabelle ist zu erkennen, dass zum Beispiel der Pin 2 der Steckverbinder unabhängig von der Richtung des Datensignals immer die Bezeichnung TxD (Transmit Data) besitzt. Erst die zusätzliche Information DTE- oder DCE-Belegung gibt Aufschluss über die Funktion des beschriebenen Anschlusspins. Bei der RS232-Schnittstelle werden die einzelnen Datenbit eines Zeichens nacheinander als Spannungszustände über eine Sende- bzw. Empfangsleitung übertragen. Einer logischen "1" entspricht dabei ein negativer Spannungspegel von -15..-3V, einer logischen "0" dagegen ein positiver Spannungspegel von +3..+15V bezogen auf die gemeinsame Signalmasse. Der Datensender muss unter Last einen Mindestpegel von +/- 5 Volt erzeugen, während der Empfänger Pegel von +/-3 Volt noch als gültiges Signal erkennt. Die zulässige ohmsche Last muss größer als 3KOhm sein, die durch die Übertragungsleitung verursachte kapazitive Last ist auf 2500 pF beschränkt.

Die erzielbare Entfernung zwischen zwei RS232-Geräten ist wie bei allen seriellen Übertragungsverfahren vom verwendeten Kabel und der Baudrate abhängig. Als Richtmaß sollte bei einer Übertragungsrate von 9600 Baud eine Distanz von 15 bis 30 Metern nicht überschritten werden.

RS232-Schnittstellen besitzen eine Vielzahl von Handshake-Leitungen, die jedoch in Ihrer Gesamtheit lediglich zur Verbindung eines Modems mit einem Datenendgerät benötigt werden. Der weitaus häufigere Fall der Verbindung zweier Datenendgeräte miteinander lässt sich in der Regel mit einer reduzierten Anzahl von Handshake-Leitungen ohne Probleme realisieren. Nicht benötigte Handshake-Eingänge werden einfach durch Verbindung mit den eigenen Handshake-Ausgängen auf Freigabepegel gelegt.

Die notwendigen Informationen zur Verbindung eines PCs mit einem seriellen Peripheriegerät können Sie der folgenden Tabelle entnehmen:

AT	PC			Drucker	Modem	AT	PC	Wichtigkeit
DB9 Stecker	DB25 Stecker			DB25 Buchse	DB25 Buchse	DB9 Stecker	DB25 Stecker	1	2	3	4
5	7	GND	---	7	7	5	7	erforderlich (Daten)
3	2	TxD	--->	3	2	2	3
2	3	RxD	<---	2	3	3	2
4	20	DTR	--->	5, 6	20	6	6	Gerätestatus (Handshake 1)
6	6	DSR	<---	20	6	4	20
7	4	RTS	--->		4	8	5	Protokollstatus (Handshake 2)
8	5	CTS	<---	20	5	7	4
9	22	RI	<---		22			Modemstatus (Handshake 3)
1	8	DCD	<---		8

Ein Modemanschlusskabel für einen Macintosh zu einem Modem mit Sub-D 25 Buchse sollte folgendermaßen aussehen.

RS423

Die RS423-Schnittstelle verwendet wie die RS232 asymetrische, auf Masse bezogene Spannungspegel zur Übertragung der Daten.

RS423-Verbindung

Im Gegensatz zur RS232 arbeitet die RS423 jedoch lediglich mit Ausgangspegeln von +/- 4..6 Volt, während die Empfängerbausteine, die baugleich mit RS422-Empfängern sind, noch Pegel von +/- 200mV als gültiges Signal erkennen müssen. Die RS423 ist zur Übertragung von Daten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 kBaud und über eine Entfernung von bis zu 1200 Metern geeignet.

Maximal 10 Empfänger dürfen gleichzeitig mit einem Sender verbunden werden.

RS423 Schnittstellen sind in der Praxis eher selten anzutreffen, da die mit gleichem Aufwand verbundene RS422-Schnittstelle gegenüber RS423 Verbindungen den Vorteil der deutlich höheren Übertragungssicherheit bietet.

RS422

RS422- und RS485-Schnittstellen sind für die serielle Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über große Entfernungen entwickelt worden und finden im industriellen Bereich zunehmend Verbreitung.

Die seriellen Daten werden ohne Massebezug als Spannungsdifferenz zwischen zwei korrespondierenden Leitungen übertragen. Für jedes zu übertragende Signal existiert ein Aderpaar, das aus einer invertierten und einer nicht invertierten Signalleitung besteht. Die invertierte Leitung wird in der Regel durch den Index "A" oder "-" gekennzeichnet, während die nicht invertierte Leitung mit "B" oder "+" bezeichnet wird.

RS422-Verbindung

Der Empfänger wertet lediglich die Differenz zwischen beiden Leitungen aus, so dass Gleichtakt-Störungen auf der Übertragungsleitung nicht zu einer Verfälschung des Nutzsignals führen. Durch die Verwendung von abgeschirmtem, paarig verseiltem Level-5-Kabel lassen sich Datenübertragungen über Distanzen von bis zu 1200 Metern bei einer Geschwindigkeit von bis zu 100.000 Baud realisieren.

RS422-Sender stellen unter Last Ausgangspegel von +/- 2Volt zwischen den beiden Ausgängen zur Verfügung; die Empfängerbausteine erkennen Pegel von +/- 200mV noch als gültiges Signal.

RS485

Die RS485-Schnittstelle stellt eine Erweiterung der RS422-Definition dar. Während die RS422 lediglich den unidirektionalen Anschluss von bis zu 10 Empfängern an einen Sendebaustein zulässt, ist die RS485 als bidirektionales Bussystem mit bis zu 32 Teilnehmern konzipiert. Physikalisch unterscheiden sich beide Schnittstellen nur unwesentlich.

RS485-Bussystem

Da mehrere Sender auf einer gemeinsamen Leitung arbeiten, muss durch ein Protokoll sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt maximal ein Datensender aktiv ist. Alle anderen Sender müssen sich zu dieser Zeit in hochohmigem Zustand befinden. Die Aktivierung der Senderbausteine kann durch Schalten einer Handshake-Leitung oder datenflussgesteuert, automatisch erfolgen. Eine Terminierung des Kabels ist bei RS422-Leitungen nur bei hohen Baudraten und großen Kabellängen, bei RS485-Verbindungen dagegen grundsätzlich nötig.

Obwohl für große Entfernungen bestimmt, zwischen denen Potentialverschiebungen unvermeidbar sind, schreibt die Norm für keine der beiden Schnittstellen eine galvanische Trennung vor.

Da die Empfängerbausteine empfindlich auf Verschiebung des Massepotentials reagieren, ist für zuverlässige Installationen eine galvanische Trennung unbedingt empfehlenswert. Bei der Installation muss auf korrekte Polung der Aderpaare geachtet werden, da eine falsche Polung zur Invertierung der Daten- und Handshake-Signale führt.

Stromschleife

Die 20mA- oder Current-Loop-Schnittstelle überträgt die Daten, indem in einer Leiterschleife ein 20mA-Strom im Takt der Datenbits ein- und ausgeschaltet wird. Im Ruhezustand bzw. während der Übertragung von "1"-Bits fließt ein konstanter Strom von 20 mA, während "0"-Bits durch einen unterbrochenen Stromfluss gekennzeichnet sind.

Innerhalb jeder Stromschleife darf lediglich ein angeschlossenes Gerät den erforderlichen Schleifenstrom von 20mA liefern. Dieses Gerät bezeichnet man als aktiv, das andere als passiv. Leider unterliegt die 20mA-Schnittstelle keinem Standard, so dass eine Vielzahl unterschiedlich konzipierter Current-Loop-Schnittstellen am Markt zu finden ist. Steckerform und Belegung sind je nach Hersteller ebenso unterschiedlich, wie die Signalbezeichnungen und die Möglichkeiten des Aktiv- und Passiv-Betriebs.

Die universellen W&T 20mA-Interfaces 84001 und 84201 bieten jedoch durch eine Vielzahl von Betriebsarten die Gewähr für den erfolgreichen Aufbau einer TTY-Verbindung.

Beispiel 2
Gerät1 und 2: jeweils TxD aktiv, RxD passiv

Die Auskopplung der Nutzsignale aus der Stromschleife wird in der Regel über Optokoppler vorgenommen. Dies gewährleistet in den meisten Applikationen eine galvanische Trennung zwischen den verbundenen Geräten, so dass die Current-Loop-Schnittstelle ohne weitere Schutzmaßnahmen zur Datenübertragung über eine Distanz von bis zu 1000 Meter geeignet ist.

Der Vorteil der sicheren Übertragung wird bei der 20mA-Schnittstelle jedoch mit vergleichsweise niedrigen Übertragungsraten im Bereich von 300..9600 Baud erkauft.

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