Los UART garantizan comunicaciones industriales confiables de larga distancia a través de las interfaces RS-232, RS-422 y RS-485

La detección y el control industriales plantean muchos desafíos para un bus de comunicaciones. Por ejemplo, los tendidos de cable de cientos o miles de pies son comunes, mientras que el entorno industrial en sí a menudo se caracteriza por condiciones duras de funcionamiento. Los equipos industriales pueden estar expuestos a una amplia gama de temperaturas, a ruido eléctrico alto tanto en la fuente de alimentación como en las líneas de datos, y a eventos de falla como interferencia electromagnética (EMI), descarga electrostática (ESD) o cortocircuitos.

La solución a estos problemas es utilizar una interfaz serial robusta basada en un transmisor receptor asíncrono universal (UART), también llamado elemento de comunicaciones asíncronas (ACE) por algunos proveedores. Los UART están disponibles como dispositivos independientes, como el Texas Instruments TL16C752D, o pueden estar dentro de un microcontrolador, como el Microchip Technology PIC16F688T-I/SL.

Con los controladores de línea adecuados, un UART puede funcionar por largas distancias: desde 15 metros (m) para el bus de datos en serie RS-232 hasta 1000 m para las interfaces RS-485 o RS-422. Estos tres protocolos sirven para proporcionar control a máquinas y controladores remotos en aplicaciones de automatización de fábricas y están diseñados para minimizar los efectos de EMI y ESD en las configuraciones más rigurosas.

Este artículo proporcionará información sobre estos protocolos de interfaz de control industrial comúnmente usados y mostrará cómo se pueden implementar utilizando UART y controladores de línea.

RS-232

El estándar de comunicaciones seriales RS-232 también se conoce actualmente como EIA/TIA-232-F, que es un estándar de la Asociación de Industrias Electrónicas y la Asociación de la Industria de Telecomunicaciones. La letra F indica la última revisión. El estándar es idéntico a los estándares V.24 y V.28 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). Esta interfaz fue el bus serial original en las computadoras personales. Originalmente se usaba para conectar la computadora, llamada equipo terminal de datos (DTE), a un módem, denominado equipo de comunicación de datos (DCE).

EIA/TIA-232-F define un estándar de capa física, que incluye niveles de señal y temporización, señales de control, conectores y cableado de conectores. No define la codificación de caracteres, el encuadre ni otros aspectos del nivel de protocolo. Un bus serial asíncrono típico incluirá un UART o ACE, controladores de línea, conectores y cables (Figura 1).

Figura 1: Un sistema RS-232 básico incluye un equipo terminal de datos (DTE), como una computadora, y un equipo de comunicación de datos (DCE), como un módem. Un UART/ACE interconecta el panel posterior de la computadora paralela con la interfaz serial RS-232. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El UART/ACE convierte el bus paralelo interno de la computadora en un flujo de datos en serie. También proporciona el búfer de memoria de entrada y salida primero en entrar, primero en salir (FIFO), un reloj de interfaz (normalmente denominado generador de velocidad de transmisión), y señales de temporización y reconocimiento de la interfaz. La entrada y salida analógica del UART/ACE puede estar almacenada en búfer por un controlador de línea. La salida del DTE se conoce como la señal del transmisor (T_X), mientras que la entrada se denomina la señal recibida (R_X). El cable de la interfaz está limitado a una longitud máxima de 15 m. La longitud del cable determina la velocidad máxima de transmisión de datos que se puede usar de manera fiable en el bus de interfaz.

La interfaz RS-232 conecta dos dispositivos con una conexión dúplex completa, lo que significa que cada dispositivo puede transmitir y recibir simultáneamente. El paquete de datos en serie RS-232 consta de un bit de inicio, desde 5 hasta 8 bits de datos, 1/1.5/2 bits de parada y un bit de paridad (Figura 2).

Figura 2: Un paquete de datos RS-232 consta de un bit de inicio, 5 a 8 bits de datos (se muestran 8), un bit de paridad (opcional) y 1, 1.5 o 2 bits de parada. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El requisito de cable mínimo para RS-232 es para tres cables: uno para transmisión, otro para recepción y la toma de tierra. La tierra es el retorno para ambos conductores de señal.

Muchas de las características de RS-232 están vinculadas a su aplicación original en telecomunicaciones. Utiliza lógica negativa con un estado alto, denominado espacio, y un estado bajo, denominado marca. El estado neutral o de reposo es alto, por lo que la interconexión se puede verificar de forma remota. En el lado del transmisor, un estado 0, o espacio, es un voltaje de entre +5 y +15 voltios. El 1 lógico, o estado de marca, es un voltaje de entre -5 y -15 voltios. En el extremo receptor, un nivel de entre 3 y 15 voltios es un 0, y desde -3 hasta -15 voltios representa un 1.

La transferencia se denomina asíncrona porque no se transmite ninguna señal de reloj. RS-232 depende de que ambos lados del bus estén configurados para un reloj o una velocidad de transmisión específicos. La velocidad de transmisión es una medida del número de símbolos transferidos por segundo; para RS-232 es aproximadamente la velocidad de reloj. Las velocidades de transmisión comunes son 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800 y 921600 baudios.

Cuanto mayor sea la velocidad de reloj, más limitada será la longitud del cable. Por ejemplo, a 9600 baudios, se puede usar la longitud máxima de 15 m de cable. A velocidades de transmisión más altas, la longitud máxima del cable se reducirá.

Señales de control de RS-232

RS-232 tiene una serie de señales de control especificadas. Informan el estado de los dispositivos DTE y DCE, así como también implementan un protocolo de intercambio basado en hardware para marcar el ritmo de transferencia de datos (Tabla 1).

Tabla 1: El control RS-232 y las señales del protocolo de intercambio. (Fuente de la tabla: DigiKey)

El protocolo de intercambio basado en hardware se implementa utilizando las señales de control de flujo petición de envío (RTS) y listo para enviar (CTS) para garantizar que ambos dispositivos estén listos para transferir datos y que el dispositivo receptor los haya recibido. El protocolo de intercambio basado en hardware se implementa mediante las siguientes acciones:

1. El equipo terminal de datos baja la línea RTS al estado “1” o “Marca”
2. El equipo de comunicación de datos coloca la línea CTS en el estado "1" o "Marca"
3. El equipo terminal de datos coloca la línea terminal de datos lista (DTR) en estado "1" o "Marca" durante la transferencia de datos
4. Al final de la transferencia, el equipo terminal de datos restituye las líneas DTR y RTS al estado "0" o "Espacio"
5. El equipo de comunicación de datos restituye la línea CTS al estado "0" o "Espacio"

RS-232 también puede usar un intercambio de comunicación entre software para controlar el flujo de datos donde los caracteres X_ON (ASCII DC1, hex 11) y X_OFF (ASCII DC3, hex 13), enviados en el flujo de datos, realizan una sincronización de datos transferidos similar.

Diagrama de bloques funcional del UART

El Texas Instruments TL16C752D es un UART dual con FIFO de 64 bytes que reciben y transmiten a velocidades de datos de hasta 3 megabits por segundo (Mbits/s) (Figura 3).

Figura 3: El diagrama de bloques funcional del UART dual TL16C752D de 3 Mbit/s de Texas Instruments muestra los FIFO de 64 bytes y las líneas de interfaz. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Cada sección del UART tiene su propio generador de velocidad de transmisión controlado por software. La interfaz del bus de datos realiza la conversión de datos de paralelo a serie y alimenta ambas secciones del UART dual. Cada sección tiene líneas de control independientes. El TL16C752D funciona con voltajes de suministro desde 1.8 voltios hasta 5.5 voltios en un rango de temperatura de -40 °C a 85 °C.

Microcontrolador basado en UART

Muchos microcontroladores, como el PIC16F688T-I/SL de Microchip Technology, incluyen interfaces de datos en serie para comunicarse con monitores, convertidores de analógico a digital externos (ADC) y convertidores de digital a analógico (DAC), u otros microcontroladores (Figura 4).

Figura 4: El microcontrolador CMOS PIC16F688T-I/SL de Microchip Technology incluye una interfaz serial que utiliza un receptor/transmisor síncrono/asíncrono universal mejorado (EUSART). (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

El EUSART, a veces llamado interfaz de comunicaciones seriales (SCI), puede configurarse como un enlace de datos en serie dúplex asíncrono o semidúplex síncrono. El EUSART en el PIC16F688T-I/SL contiene todos los registros de desplazamiento, generadores de reloj y búferes de datos necesarios para realizar una transferencia de datos seriales de entrada o salida independiente de la ejecución del programa del microcontrolador. Tiene un búfer de recepción de dos caracteres y un búfer de transmisión de un solo carácter. La interfaz asíncrona dúplex es útil para comunicarse con periféricos externos como un monitor, que es la aplicación principal para esta interfaz en el microcontrolador.

Controladores de línea

Los controladores de línea aumentan el funcionamiento de los UART almacenando en búfer las señales de transmisión y recepción. Son útiles porque operan sobre la especificación completa de nivel de voltaje RS-232. Un ejemplo de este tipo de dispositivo es el transceptor dual RS-232/TIA/EIA-232-F MAX232DR de Texas Instruments (Figura 5).

Figura 5: Aplicación del controlador/receptor dual MAX232DR para almacenar en búfer un UART dual TL16C752D. El MAX232DR tolera voltajes de entrada de hasta ±30 voltios, mientras que las salidas están protegidas a tierra contra cortocircuitos. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El controlador de línea/receptor MAX232DR tiene ventajas en aplicaciones industriales donde se requieren voltajes más altos. Soporta voltajes de entrada de hasta ±30 voltios. El dispositivo incluye un generador de voltaje capacitivo que usa cuatro condensadores externos para suministrar niveles de voltaje RS-232 de -5 a -7 voltios y de +5 a +7 voltios en las salidas de una única fuente de alimentación de 5 voltios.

Señalización diferencial

RS-232 utiliza conexiones de un solo terminal para la línea de transmisión y recepción. Con tales conexiones de un solo terminal, los voltajes de señal se miden desde la línea a tierra. En el entorno industrial hay mucho ruido que es captado por las líneas de señal RS-232, lo que limita la longitud de los recorridos del bus. Una forma clásica de evitar esta limitación es utilizar señalización diferencial.

Un bus diferencial consta de dos cables para cada señal, donde las señales se miden tomando la diferencia de voltaje entre los dos cables. Como el ruido y la diafonía son generalmente comunes a ambas líneas de señal, la medición de la diferencia elimina estas señales casi idénticas, reduciendo significativamente su amplitud. Además, los cables diferenciales también están blindados para reducir aún más el ruido y la captación de interferencias.

Hay dos estándares comunes de bus de datos que utilizan líneas de señal diferenciales: RS-422 (TIA/EIA-422) y RS-485 (TIA/EIA-485), siendo este último el bus serial industrial más común. Estos estándares utilizan líneas de transmisión de par trenzado donde los dispositivos conectados pueden estar a una distancia de hasta 1200 m (4000 pies). Ambos estándares tienen velocidades máximas de transmisión de datos de hasta 10 Mbits/s. Se muestra una comparación de los tres buses seriales (Tabla 2).

Tabla 2: Una comparación de las características de los estándares RS-232, RS-422 y RS-485. (Fuente de la tabla: DigiKey)

RS-422 y RS-485 se diferencian en que RS-485 puede funcionar con hasta 32 transceptores (se pueden agregar más utilizando extensores de bus), mientras que RS-422 está limitado a solo 10 receptores en el bus. RS-485 en modo dúplex requiere cuatro cables comparado con dos para la operación semidúplex y RS-422 (Figura 6).

Figura 6: Las topologías dúplex (izquierda) y semidúplex de una interfaz RS-485. La computadora o dispositivo maestro se muestra en rojo; otros dispositivos están en azul. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El cableado del bus diferencial usa dos conductores para cada línea de señal de transmisión o recepción, como se muestra en la figura. La operación dúplex requiere cuatro cables, mientras que la semidúplex requiere solo dos. Debido a la mayor velocidad de RS-422 y RS-485, las líneas de transmisión deben terminarse en cada extremo. Para par trenzado, las resistencias de terminación R_T son de 120 ohmios (Ω). Como se pudo haber supuesto por la configuración del UART dual del CI de la interfaz TL16C752D, tiene un modo RS-485. Esta es la razón por la que muchos UART y los controladores de línea relacionados emplean la configuración dual.

Los niveles de voltaje en el lado del transmisor para RS-422 son ±6 voltios, mientras que aquellos para RS-485 son de -7 a +12 voltios. En el receptor, la sensibilidad es de ± 200 milivoltios (mV) para ambos estándares.

Conclusión

Las tres interfaces seriales RS-232, RS-422 y RS-485 ofrecen una gama de opciones para comunicaciones seriales robustas en distancias cortas y largas. Los UART forman la base de los tres estándares y facilitan la adición de comunicaciones seriales a los diseños, especialmente aquellos para entornos industriales difíciles.