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RS-232
Notwendiges Wissen: [HW] Controller module, [AVR] USART, [LIB] Serial Interface, [LIB] Alphanumeric LCD
Theorie
Die RS-232 ist ein Standard unter den physischen Datenschnittstellen und wird zur Übertragung von Binärdaten genutzt. Dieser Standard wird überwiegend für serielle Anschlüsse von Computern verwendet, welche gewöhnlich als “COM”-Anschlüsse bezeichnet werden. Inzwischen wurden die RS-232 größtenteils durch USB-Schnittstellen ersetzt. Aufgrund ihrer Einfachheit werden sie jedoch weiterhin erfolgreich in Freizeitanwendungen verwendet, insbesondere wenn USB - RS-232 Konverter vorhanden sind. Der RS-232 Standard legt die Stecker, die elektronischen Parameter sowie die Bedeutung der Signale fest, nicht aber das Protokoll.
Die RS-232 Schnittstelle wird hauptsächlich in Verbindung mit dem UART Datenübermittlungsmodul genutzt. Diese UART-Hardware verfügt über ein standardisiertes Protokoll, legt jedoch keine Stecker oder andere Dinge fest. Die RS-232 Schnittstelle erweitert somit das UART Modul. UART ist ein Peripheriemodul des Mikrocontrollers, dessen digitaler In- und Output nicht mit den elektronischen Parametern des RS-232 korrespondiert. Aus diesem Grund werden die beiden über einen speziellen Pegelkonverter miteinander verbunden. Der bekannteste Pegelkonverter für RS-232 und TLL/COMS ist der MAX232.
Die Bezeichnung UART steht für “Universal Asynchronous Receiver Transmitter”. Die USART-Schnittstelle bietet ergänzend die Möglichkeit, Daten synchron zum Taktsignal zu senden. UART kann auch als serielle Schnittstelle bezeichnet werden. Die serielle Schnittstelle ist ein Datentransfermechanismus, wobei jedes Bit einzeln übermittelt wird. Um beispielsweise 1 Byte zu senden, werden 8 Bits in einem bestimmten Intervall übermittelt. Dadurch wird an der seriellen Leitungsschnittstelle, also an einen Pin des Mikrocontrollers, der Wert der Stromspannung nach einer bestimmten Zeit verändert, zunächst ist dieser niedrig und daraufhin hoch. Normalerweise gibt es zwei Geräte die an der seriellen Schnittstelle angeschlossen werden. Das eine dient zur Übertragung von Information (durch Veränderung des Pinwertes), das andere zum Empfang (durch Erfassung des Pinwertes). Der Übertragungspin ist mit TX, der Empfangspin mit RX gekennzeichnet. Auf einer Leitung geht der Informationsfluss immer nur in eine Richtung. Um Daten in die andere Richtung zu senden, muss eine andere Leitung genutzt werden. Werden Daten über zwei Leitungen gleichzeitig gesendet, wird dieses “Full Duplex Bus” genannt.
Die Datenübertragung erfolgt über den Rahmen der UART-Schnittstelle, welcher je nach Konfiguration 5 bis 9 Datenbits enthält. Am häufigsten sind 8 Bits (1 Byte). Zusätzlich zu den Datenbits werden durch den Rahmen weitere Bits übertragen, welche dazu genutzt werden, den Augenblick der Ankunft von Daten sowie des Abschlusses der Übertragung auf der Empfängerseite zu erkennen. Ersteres wird Startbit genannt und hat immer den Wert 0. Das zweite ist das Stopbit, welches immer den Wert 1 hat. Vor dem Stopbit gibt es in einigen Fällen noch das Paritätsbit. Dieses dient zur Kontrolle der Richtigkeit. Das Paritätsbit zeigt an, ob die Anzahl der Einsen in den Datenbits gerade oder ungerade ist. Die Art der Ablesung hängt von der Konfiguration der UART Schnittstelle ab. Das Paritätsbit wird aber normalerweise nicht mehr verwendet und kann im Rahmen der Konfiguration unterdrückt werden. So wie das Paritätsbit konfiguriert werden kann, kann auch die Anzahl von Daten- und Stopbits variiert werden.
Zusätzlich zur Rahmenstruktur gibt es einen weiteren wichtigen Parameter - die Baudrate, wodurch die Anzahl der in einer Sekunde übertragenen Symbole festgelegt wird. Die Baudrate zeigt die Anzahl der Symbole an. Bei der Verwendung von UART entspricht 1 Baud einem Bit, weshalb im Zusammenhang mit dem Rahmen von Bits gesprochen wurde. Allgemein ist es egal, welche Baudrate zur Datenübertragung genutzt wird, es gibt jedoch eine einige häufig verwendete Baudraten, welche verwendet werden sollten. Diese sind zum Beispiel: 9600 bps, 19200bps, 38400 bps, 57600 bps, 115200 bps.
Darüber hinaus ist es wichtig zu wissen, dass der RS-232 Standard zusätzlich zu den Datensignalen (RX, TX) auch über Datenflusskontrollpins DTR, DCD, DSR, RI, RTS undCTS verfügt, welche zur Kontrolle der Kommunikation zwischen den Geräten dienen. Sie können zum Beispiel genutzt werden, um festzustellen ob das Gerät zum Empfang von Daten bereit ist oder nicht. Da die RS-232 Schnittstelle ursprünglich darauf abzielt, Computer an ein Modem anzuschließen, können (konnten) einige Signale dazu genutzt werden, um den Status von Telefonleitungen anzuzeigen.
Praktisches Beispiel
Die Platine des Controllermoduls ist mit einem RS-232 male-Stecker ausgerüstet. Darüber kann der Controller an einen Computer oder einen anderen Controller angeschlossen werden. Um ihn an einen Computer anzuschließen, muss ein normales nicht invertiertes Kabel genutzt werden, dessen eines Ende male und anderes Ende female ist. Um den Controller an einen anderen Controller anzuschließen, muss ein Kabel verwendet werden, bei dem RX, TX sowie Kontrollsignale für die Stromstärke senkrecht invertiert sind und beide Stecker female sind. Das invertierte Kabel wird auch Nullmodemkabel genannt. Nachfolgend ist ein Beispielprogramm zur Nutzung der UART Schnittstelle dargestellt. Wird das Programm gestartet, übermittelt es ein “Willkommen” über die RS-232 Schnittstelle und zeigt empfangene Nachrichten an. Es werden das LCD-Display und die USART Bibliotheken genutzt.
// // Anschluss des Controllermoduls des HomeLab an einen Computer über die RS-232 Schnittstelle. // Im Beispiel wird ein digitales Input-Output-Modul mit LCD Display verwendet. // Der im Terminal des Computers eingegebene Text wird auf dem LCD Display angezeigt. // #include <homelab/usart.h> #include <homelab/module/lcd_alpha.h> // // Festlegung der USART Schnittstelle. // usart port = USART(0); // // Hauptprogramm // int main(void) { char c; unsigned char row = 1; // Installation der USART Schnittstelle. usart_init_async(port, USART_DATABITS_8, USART_STOPBITS_ONE, USART_PARITY_NONE, USART_BAUDRATE_ASYNC(9600)); // Installation des LCD. lcd_alpha_init(LCD_ALPHA_DISP_ON_BLINK); // Anzeige eines Begrüßungstextes auf dem Display. lcd_alpha_write_string("Waiting for the message"); // Cursor an den Beginn der zweiten Reihe setzen. lcd_alpha_goto_xy(0, row); // "Hallo" zum Computer sagen. usart_send_string(port, "Hello, write something!\r\n"); // Endlosschleife while (true) { // Zeichen aus der seriellen Schnittstelle lesen. if (usart_try_read_char(port, &c)) { // Befassen wir uns mit dem Zeichen zur Änderung der Reihe? if (c == '\r') { // Änderung der Reihe. row = 1 - row; // Vorherige Nachricht aus der Reihe löschen. lcd_alpha_clear_line(row); } else { // Ausgabe des Zeichens auf dem Display. lcd_alpha_write_char(c); } } } }
Windows XP OS beinhaltet das Programm HyperTerminal. Dieses Programm kann über das Start Menü geöffnet werden, indem Zubehör → Kommunikation → HyperTerminal ausgewählt wird. Wählen Sie zur Konfiguration 9600 bps aus, 1 Startbit und 1 Stopbit ohne Paritäts- und Datenstromkontrolle. Wenn HyperTerminal geöffnet ist, während der Mikrocontroller startet, erscheint ein Begrüßungstext auf dem Display. Die über das Fenster eingegebenen Buchstaben werden auf dem alphanumerischen LCD dargestellt. Durch Betätigung der Enter Taste wird die Reihe auf dem LCD gewechselt.