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RS-232: protocollo di riferimento

Il futuro è certo: sarà il protocollo IP a dettare legge. Oggi, peròle apparecchiature più moderne e sofisticate sono collegate traloro dalla RS-232: uno standard nato nei primi anni ‘60.


Volume: SIAV_04_14 - Pagine: da 12 a 15

Un sistema integrato di livelloprofessionale prevede che le apparecchiaturesiano tra loro intimamente collegate,scambiandosi, oltre ai segnali AV, anchecomandi e le informazioni inerenti lo stato difunzionamento. Queste comunicazioni, cheavvengono ad esempio tra il processore e levarie apparecchiature (proiettori, monitor, mixeraudio, dispositivi di controllo, impianto luci,ecc.) vengono realizzate sempre attraverso unatrasmissione seriale.I protocolli più significativi perl’interconnessione via cavo degli apparatisono: RS232/RS485, KNX Bus, TCP-UDP/IP. Tra iprotocolli di comunicazione wireless impiegatipiù frequentemente, si annoverano ZigBee eBluetooth. In questo articolo prendiamo inconsiderazione l’interfaccia seriale, un busdi comunicazione nato nei primi anni ’60 eattualmente il più diffuso sul mercato.



Come funziona

Fra le trasmissioni di tipo seriale ricordiamoanche USB e Firewire, anche se sono scarsamenteo per nulla utilizzate a scopo di controllo.In una trasmissione di dati serialil’informazione digitale viene inviata da undispositivo all’altro attraverso bit di datisequenziali, su una singola linea di cavo. Ciò sidifferenzia sostanzialmente dalla trasmissionedi tipo parallelo, dove i dati sono inviati su lineemultiple, fino ad un massimo di 32. Teoricamentesarebbero da considerarsi più ‘lente’ rispettoa quelle parallele, poiché la quantità diinformazioni trasmesse su un unico filo nell’unità di tempo è inferiore rispetto a quelle inviate, adesempio, su 32 (come nel caso della trasmissioneparallela).Nella realtà, la difficoltà a manteneresincronizzate le informazioni in transito sui variconduttori con la conseguente impossibilitàdel ricevitore nel ricostruire il messaggio,soprattutto a fronte di elevate velocità ditrasmissione, ha determinato una progressivadismissione della trasmissione di tipo parallelo;altri fattori secondari che ne hanno decretata lafine sono le dimensioni importanti del cavo e laconnettorizzazione più complessa (Figura 3).A ciò si aggiunga che le trasmissioni serialisono intrinsecamente meno sensibili alleinterferenze sulla rete e generalmente più‘robuste’ rispetto a quelle parallele, grazie allapossibilità di controllare gli errori di trasmissione.In origine le comunicazioni seriali avvenivanoesclusivamente in modalità sincrona. L’apparatotrasmettitore e quello ricevitore erano collegatiattraverso un bus a 3 fili (massa, segnale dati esegnale di sincronismo). Le due apparecchiaturerestavano tra loro sincronizzate attraversol’interpretazione degli impulsi di sincronismo intransito sul terzo filo (da qui la denominazione‘sincrona’). Le velocità di trasmissione potevanoanche raggiungere valori elevati, aumentandola frequenza del segnale di sincronismo ma, alcontempo, servivano hardware molto potenti perl’invio di flussi di dati con elevato bitrate.Quindi, si ritenne opportuno sviluppareun altro tipo di trasmissione, seppureintrinsecamente meno efficiente rispetto allaprecedente. Tale trasmissione, definita ‘asincrona’ad oggi è quella maggiormente in uso.Nella modalità asincrona i due apparatisi sincronizzano usando i dati stessi: iltrasmettitore invia inizialmente un bit di‘partenza’, poi il dato vero e proprio, compostoda una sequenza che può andare da cinquea otto bit. Da notare che il treno di bit vieneletto dal ricevitore “da destra a sinistra”, perché il bit menosignificativo viene trasmesso per primo. Quindi, in opzione, puòessere presente un bit di parità: un tempo veniva utilizzato peril controllo dell’errore; oggi, invece, non più perché è ritenutoun sistema di controllo scarsamente affidabile. In ultimo, ètrasmesso un tempo di stop che può avere diverse lunghezzetipiche (uno, uno e mezzo o due tempi di bit): analizzeremo inseguito più dettagliatamente il significato di tutto ciò.



Il protocollo RS-232C

L’ultima versione di questo protocollo risale all’anno 2000: èdenominata EIA RS-232C ed è stata definita della norma V.24 delITU-T (Unione Internazionale delle Comunicazioni).Lo standard RS-232C definisce un’interfaccia di primo livellonel modello ISO/OSI (cioè si occupa solamente della modalitàdella comunicazione tra apparati in modo che le informazionipossano essere scambiate ed interpretate dagli stessi, senza entrarenel merito del contenuto delle informazioni stesse). Quandola trasmissione seriale avviene tramite un bus a 9 poli (comeabitualmente viene effettuato il collegamento dei dispositiviAV), l’interfaccia è definita RS-232 ridotta, e le comunicazioniavvengono in modalità asincrona.



Quanti fili sono necessari?

Poniamo di avere un controller che deve stabilire unacomunicazione bidirezionale con un’apparecchiatura (ad es.un proiettore), per inviare segnali di comando (accensione,spegnimento) e ricevere informazioni dal proiettore (stato di funzionamento, temperatura, usura lampada, etc.). Questi dueapparati sono a tutti gli effetti dei DTE (Data TransmissionEquipment), al pari di due computer che scambiano dati tra loro.Per realizzare la comunicazione tra loro servono solo 3 fili:massa, Transmit Data (TxD) e Receive Data (RxD). Il segnale inuscita dal piedino ‘data send’ del connettore seriale del controllerdeve essere collegato al piedino ‘data receive’ del connettoreseriale del videoproiettore, e viceversa.Un cavo di collegamento idoneo a questa comunicazione erealizzato secondo quanto indicato nello schema qui sotto(Figura 4), viene chiamato NULL MODEM. Qualora nella trasmissione fossero impiegati altri attori, qualidue modem (ad esempio, per inviare dati attraverso una lineatelefonica, cosa non generalmente utilizzata nell’integrazionedi apparati AV), questi sarebbero dei DCE (Data CommunicationEquipment).In questo caso, lo standard definisce almeno quattro ulteriori dicircuiti di controllo, usati per gestire la comunicazione tra DTE-DCEe DCE-DTE, quali il Request To Send (RTS), Clear To Send (CTS), DataTerminal Ready (DTR), e Data Set Ready (DSR) (Figura 5).



Le caratteristiche del segnale

Sebbene la tensione ai capi di una linea di trasmissione serialeaperta, ad esempio tra TxD e massa, possa essere compresa trai 25 V a seconda del flusso dei dati, nella realtà le tensionimaggiormente usate sono comprese tra i ±5 V e i ±15 V. Come sipuò notare nell’illustrazione di Figura 6, lo standard EIA RS-232prevede nei circuiti che trasmettono dati (per esempio TxD e RxD) che il segnale di tensione positivo rappresenti lo0 logico (space, LOW) mentre quello negativo un1 (mark, HIGH).Questo tipo di codifica viene chiamata a logicanegativa: contraria a quello che normalmente ciaspetteremmo. I segnali delle linee di controllo,quali RTS, CTS, DTR, DSR, invece, hanno unalogica inversa: lo stato attivo è comunicato conuna tensione positiva, quello inattivo con unatensione negativa.Ammettiamo di volere trasmettere attraversoil nostro collegamento seriale la lettera V (codicebinario 01010110). Prima di tutto dovremostabilire una regola di trasmissione condivisa trale due apparecchiature, affinché le informazioniscambiate possano essere correttamenteinterpretate (handshaking). Stabiliamo che ilpacchetto di dati contenente l’informazionedebba essere di 8 bit, e che alla fine delpacchetto ci debba essere un bit dedicato alcontrollo di parità (nel nostro caso, parità ODD= parità dispari) e un bit di stop, ad indicarela fine dell’informazione: in breve, questaconfigurazione viene indicata come ‘8,O,1’.All’inizio, non vi è alcuna trasmissione (statoIDLE = inattivo): a causa della logica negativaequivale allo stato 1, cioè HIGH e la tensione èdi -15 V.Segue quindi il bit di START, che sempre acausa della logica negativa equivale allo stato 0, cioè LOW, e la tensione è di +15 V.Da notare che l’apparato ricevente interpretail cambio di stato già quando la tensione arrivaa ±3 V rispetto allo zero. Quindi viene trasmessoil bit meno significativo (LSB = Low SignificativeBit), che è uno 0, poiché è l’ultimo bit del treno01010110. Infatti, come abbiamo detto, il trenodi bit viene letto da destra a sinistra.Con la stessa logica, seguono tutti gli altri bit:il bit di controllo di parità dispari (in questo casopari a 1, poiché il numero di ‘1’ nell’insieme dibit dei dati è pari) e quello di STOP, per finirenuovamente nello stato IDLE.La definizione di un protocollo di trasmissionecondiviso come quello sopra indicato ‘8,O,1’,non è tuttavia una condizione sufficiente perconsentire uno scambio di informazioni disuccesso. Bisogna indicare alle apparecchiaturein comunicazione quale sarà la durata temporaledello stato HIGH o LOW, ovvero quantodurerà nel treno di dati uno 0 oppure un 1.Tale intervallo di tempo non è nient’altro chel’inverso della velocità di trasmissione (Figura 7).
Nell’esempio di Figura 7 viene trasmessa lalettera ‘K’ (01001011), secondo il protocollo‘8,n,1’. Rispetto all’esempio precedente, lalettera ‘n’ indica che non è presente alcun bitdi controllo. Il livello elettrico dei segnali ècompreso tra ±5 V. Questa volta però indichiamola velocità di trasmissione (bit rate): 9600 bps(bit al secondo).Ogni transizione ‘b’ (nell’immagine, lospazio compreso tra due linee verticali)durerà 104 µs (pari a 1/9600), cioè ciascun bitdura esattamente l’inverso della velocità di trasmissione. Quindi, nella trasmissione seriale asincrona,una volta stabilito a priori il protocollo e lavelocità di trasmissione, due apparecchiatureposte in comunicazione sono in gradodi scambiarsi compiutamente comandi einformazioni, nei limiti della lunghezza massimadi una linea di comunicazione seriale: talelunghezza è indicata in 15 metri utilizzando uncavo standard e con velocità di trasmissione finoa circa 20 Kbps.


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