مفهوم پروتکل RS232 و کاربرد آن در اتوماسیون صنعتی

تاریخ انتشار : 2024/09/17

مقدمه
ارتباطات سریال به دلیل سادگی و نیاز کمتر به سخت‌افزار در مقایسه با ارتباطات موازی، به‌طور گسترده‌ای در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند. مفهوم ارتباط سریال شامل انتقال بیت‌های داده به‌صورت ترتیبی و یکی‌یکی از طریق یک کانال ارتباطی مشخص است. در مقابل، ارتباط موازی به معنای انتقال هم‌زمان چندین بیت داده از طریق چندین کانال مختلف است، که امکان نرخ انتقال داده بالاتری را نسبت به ارتباط سریال فراهم می‌کند. در این نوشتار یکی از پروتکل های سریال یعنی RS232 و مفهوم پروتکل RS232 و کاربرد آن در اتوماسیون صنعتی پرداخته می شود.

 

 

 

در شرایط امروزی، RS-232 به‌عنوان استاندارد اصلی ارتباطات سریال به‌طور قطعی شناخته شده است. اغلب ممکن است در محیط‌های کاری اصطلاح «RS-232» را بشنوید، به‌ویژه از سوی کارکنان مسن‌تر و با تجربه‌تر.

 

 

پیش‌نیازهای یادگیری پروتکل RS232

آشنایی قبلی با «آموزش اصول اولیه شبکه‌سازی PLC» به شما کمک می‌کند تا مؤثرتر در این آموزش مشارکت کرده و درک خود را از مطالب افزایش دهید، در نتیجه تجربه یادگیری بهینه‌تری خواهید داشت.

تعریف پروتکل RS232

RS-232 مخفف عبارت «استاندارد پیشنهادی ۲۳۲» (Recommended Standard 232) است. RS-232 به‌عنوان روشی برای انتقال داده به‌صورت سریال عمل می‌کند و به‌عنوان یک پروتکل ارتباطی شناخته‌شده، ویژگی‌های فیزیکی و الکتریکی مربوط به شبکه‌های ارتباط سریال را تعریف می‌نماید. اگرچه همچنان از اصطلاح RS-232 به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شود، اما نام رسمی آن به TIA-232 تغییر یافته است که برگرفته از عبارت «توصیه انجمن صنعت ارتباطات از راه دور ۲۳۲» (Telecommunications Industry Association Recommendation 232) می‌باشد.

 

 

 

 

کانکتور RS-232

استاندارد RS-232 از کانکتورهای DB9 و DB25 استفاده می‌کند که هر دو دارای شکل D مانند مشخصی هستند. این کانکتورها از طریق رابط‌های نری و مادگی در دو سر اتصال، ارتباط را تسهیل می‌کنند.

 

 

با توجه به استفاده محدود از اکثر پین‌ها در کانکتور ۲۵ پینی در بسیاری از کاربردهای صنعتی، تولیدکنندگان کانکتور ۹ پینی را به دلیل مزایای صرفه‌جویی در هزینه و اشغال فضای فیزیکی کمتر پذیرفتند و بدین ترتیب طراحی دستگاه‌ها را بهینه‌سازی کردند.

 

 

 

 

پین‌آوت(پین های خروجی ) RS-232

از آنجا که کانکتور DB9 در صنعت بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، در این آموزش، تمرکز بیشتری بر پین‌آوت یک کانکتور استاندارد RS-232 با ۹ پین خواهید داشت:

• TXD (Transmit Data – ارسال داده): در این پین، داده‌ها به دستگاه گیرنده ارسال می‌شوند.
• RXD (Receive Data – دریافت داده): در این پین، داده‌ها از دستگاه گیرنده دریافت می‌شوند.
• DTR (Data Terminal Ready – آمادگی ترمینال داده): این سیگنال نشان می‌دهد که ترمینال یا فرستنده آماده برقراری ارتباط با دستگاه گیرنده است.
• DSR (Data Set Ready – آمادگی مجموعه داده): این سیگنال نشان می‌دهد که دستگاه گیرنده روشن بوده و آماده برای برقراری ارتباط است.
• RTS (Request to Send – درخواست برای ارسال): این سیگنال از طرف ترمینال یا فرستنده به دستگاه گیرنده ارسال می‌شود تا اجازه ارسال داده‌ها را درخواست کند.
• CTS (Clear to Send – مجاز برای ارسال): این سیگنال از طرف دستگاه گیرنده به ترمینال یا فرستنده ارسال می‌شود تا اجازه ارسال داده‌ها را بدهد.
• GND (Ground – زمین): این پین مرجع ولتاژ زمین الکتریکی است.
• DCD (Data Carrier Detect – تشخیص حامل داده): این سیگنال نشان‌دهنده آن است که تجهیزات ارتباطی داده‌ها (مانند مودم) یک سیگنال حامل از سمت دیگر خط شناسایی کرده‌اند.
• RI (Ring Indicator – نشانگر زنگ): این سیگنال نشان می‌دهد که خط تلفن در حال زنگ خوردن است.

شایان ذکر است که سیگنال‌های DCD (تشخیص حامل داده) و RI (نشانگر زنگ) بیشتر در کاربردهای مربوط به مودم استفاده می‌شوند و در سیستم‌های محاسباتی و ارتباطی مدرن کمتر رایج هستند.

 

 

 

 

 

اصول کارکرد پروتکل RS-232

با دو دستگاهی شروع کنید که نیاز به برقراری ارتباط با یکدیگر دارند. برای ساده‌تر شدن موضوع، تصور کنید یکی از این دستگاه‌ها فقط داده ارسال می‌کند و دیگری فقط آن را دریافت می‌کند. البته در واقعیت، هر دو دستگاه قادر به انجام هر دو عملکرد (ارسال و دریافت) هستند، اما درک فرآیند ارتباط در یک جهت به شما این امکان را می‌دهد که آن را در هر دو جهت نیز به‌درستی درک و اعمال کنید.

 

 

 

 

 

ایجاد داده توسط فرستنده، نیاز به انتقال آن از طریق یک سیم فیزیکی به گیرنده را ایجاد می‌کند. این انتقال از طریق پین ارسال داده (TXD) در سمت فرستنده و پین دریافت داده (RXD) در سمت گیرنده امکان‌پذیر می‌شود. اتصال این پین‌ها مسیر ضروری را برقرار می‌سازد که جریان داده را از فرستنده به گیرنده تضمین می‌کند.

 

 

 

پروتکل RS-232 – نقش پین‌های TXD و RXD در ارتباطات سیمی

 

 

 

مشخصات RS-232 به سناریوهایی می‌پردازد که در آن‌ها لازم است اطمینان حاصل شود گیرنده‌ای وجود دارد و در برخی کاربردها غایب نیست. اما چگونه؟

طراحان RS-232 یک سیم کنترل اساسی را به سیستم اضافه کرده‌اند که حضور گیرنده را به فرستنده اطلاع می‌دهد. این اتصال، که در سمت فرستنده با عنوان «آماده بودن پایانه داده» (Data Terminal Ready یا DTR) و در سمت گیرنده با عنوان «آماده بودن مجموعه داده» (Data Set Ready یا DSR) شناخته می‌شود، تضمین می‌کند که پس از اتصال و زمانی که گیرنده ولتاژ مناسب را تنظیم می‌کند، فرستنده از حضور گیرنده آگاه می‌شود و بنابراین انتقال داده به‌صورت ایمن امکان‌پذیر می‌شود.

 

 

 

 

 

مسئله دیگری که ممکن است پیش بیاید، سرعت انتقال داده‌ها از فرستنده به گیرنده است. اگر فرستنده داده‌ها را خیلی سریع ارسال کند، به دلیل اینکه گیرنده قادر به پردازش داده‌های ورودی با آن سرعت نباشد، ممکن است منجر به از دست رفتن داده‌ها شود.

 

 

 

 

برای رفع مشکل هماهنگی در انتقال داده‌ها، طراحان RS-232 یک سیم کنترل اضافی معرفی کردند که هماهنگی بین فرستنده و گیرنده را تضمین می‌کند. این کنترل به نام Request to Send (RTS) در سمت فرستنده و Clear to Send (CTS) در سمت گیرنده شناخته می‌شود. زمانی که فرستنده آماده ارسال داده است، سیگنال درخواست RTS ارسال می‌شود. سپس، CTS مسیر را پاک می‌کند و آمادگی گیرنده برای دریافت داده‌ها را نشان می‌دهد. وقتی مسیر پاک شد، داده‌ها از پین TXD فرستنده به پین RXD گیرنده ارسال می‌شوند. این روش که به کنترل جریان سخت‌افزاری معروف است، از کنترل RTS-CTS برای مدیریت جریان داده استفاده می‌کند و ارتباط بین دستگاه‌ها را به صورت مؤثر و قابل اطمینان تضمین می‌کند.

 

 

 

علاوه بر کنترل جریان سخت‌افزاری، RS-232 از کنترل جریان نرم‌افزاری نیز پشتیبانی می‌کند. زمانی که کاراکترهای کنترلی خاصی (که به آن‌ها XON و XOFF گفته می‌شود) برای مدیریت زمان ارسال داده‌ها از فرستنده به گیرنده استفاده می‌شوند، به این روش کنترل جریان نرم‌افزاری گفته می‌شود. گیرنده با ارسال کاراکتر XON به فرستنده، آمادگی خود را برای دریافت داده‌ها اعلام می‌کند. وقتی نیاز دارد فرستنده ارسال داده‌ها را متوقف کند، به جای آن کاراکتر XOFF ارسال می‌کند. اگرچه این روش کنترل جریان به دلیل استفاده از کاراکترهای داده برای ارسال سیگنال‌ها، از روش‌های مبتنی بر سخت‌افزار کمتر قابل اطمینان است، اما معمولاً به اندازه‌ای عملکرد مناسبی دارد که در بسیاری از موارد ارزش استفاده را دارد.

 

 

 

 

 

 

در ساده‌ترین حالت انتقال داده بین دو دستگاه با استفاده از RS-232، سیم‌های ارسال (Transmit) و دریافت (Receive) را به هم متصل می‌کنید. یک سیم سوم، که سیم زمین (Ground) نامیده می‌شود، نیز برای حفظ دقت فنی و اطمینان از عملکرد صحیح ضروری است. این سیم که به آن «زمین سیگنال» (Signal Ground یا SG) گفته می‌شود، نقطه مرجع برای ولتاژهای سیگنال را برقرار می‌کند. بنابراین، ساده‌ترین شکل ارتباط بین دو دستگاه RS-232 می‌تواند با استفاده از این سه سیم با موفقیت انجام شود.

 

 

 

 

 

کابل‌ها و انواع دیوایس های RS-232

استاندارد RS-232 روش‌های انتقال داده سریال را تشریح می‌کند که تمرکز آن بر ارتباط بین یک سیستم مرکزی به نام تجهیزات پایانه داده (Data Terminal Equipment یا DTE) و یک دستگاه جانبی متصل به آن، که تجهیزات پایانه مدار داده (Data Circuit-Terminating Equipment یا DCE) نامیده می‌شود، است.

 

 

شما می‌توانید از انواع مختلف کابل‌های RS-232 انتخاب کنید، از جمله کابل‌های مستقیم (straight-through cables)، کابل‌های نال-مودم (null-modem cables) و کابل‌های کراس‌اور (crossover cables)، که هر یک برای برآورده کردن نیازهای اتصال متفاوت طراحی شده‌اند.

 

 

 

طبق استانداردهای ارتباطی RS-232، یک دستگاه معمولی DCE باید از طریق کابل مستقیم (straight-through cable) به یک دستگاه DTE متصل شود، که این کابل تضمین می‌کند تعداد پین‌ها در هر دو کانکتور به طور دقیق با هم مطابقت داشته باشند.

 

 

 

 

برای اتصال مستقیم دو دستگاه DTE بدون دستگاه DCE، یک کابل نال مودم (null modem cable) به‌طور دقیق سیگنال‌های TXD (ارسال داده) و RXD (دریافت داده) را بین پین ۲ و پین ۳ در هر دو طرف معکوس می‌کند. این کابل همچنین اتصال پین ۵ (زمین یا GND) را حفظ می‌کند و با عبور خطوط کنترل دست دادن مانند DTR/DSR و RTS/CTS انعطاف‌پذیری لازم را برای بهینه‌سازی مدیریت جریان داده سخت‌افزاری فراهم می‌آورد.

 

 

شما می‌توانید از کابل‌های کراس‌اور یا متقاطع برای اتصال دو دستگاه DCE استفاده کنید، در حالی که اتصال بین دو دستگاه DTE مشابه اتصالاتی است که با کابل‌های نال مودم انجام می‌شود.

 

 

کانکتور تجهیزات DCE دارای طراحی محکمی با بدنه نری (ماده مردانه) است که برای اتصال به پین‌های مادگی (زنانه) طراحی شده، در حالی که کانکتور دستگاه DTE از بدنه مادگی و پین‌های نری استفاده می‌کند.

 

 

 

 

معایب RS-232

در این بخش، شما با معایب مرتبط با پروتکل RS-232 آشنا خواهید شد. اصلی‌ترین عیب آن محدودیت طول کابل است که حداکثر تا ۵۰ فوت می‌رسد. فراتر از این حد، مشکلاتی مانند افزایش مقاومت سیم و افت ولتاژ به وجود می‌آید.

 

 

 

مشکل دوم که باید به آن پرداخت، نرخ انتقال داده است که معمولاً حدود ۲۰ کیلوبایت در ثانیه است.

 

 

 

قابلیت اطمینان عملیاتی کابل‌های RS-232 ممکن است تحت تأثیر تداخل فرکانس رادیویی (RFI) و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) قرار گیرد، که از منابع متنوعی مانند ماشین‌آلات و ارتباطات بی‌سیم ناشی می‌شوند و این می‌تواند منجر به کاهش صحت سیگنال یا از دست رفتن کامل قابلیت انتقال داده شود.

 

 

 

کاربرد RS-232 در اتوماسیون صنعتی و دستگاه های الکترونیکی

در حوزه اتوماسیون صنعتی، رابط RS-232 همچنان به‌عنوان یک گزینه استاندارد برای کاربردهایی که نیاز به اتصال داده‌های سیمی نقطه‌به‌نقطه، با فاصله محدود و سرعت پایین دارند، استفاده می‌شود و برای برخی وظایف کافی است. به عنوان مثال، برخی از PLCها از استاندارد RS-232 برای برقراری ارتباط با دستگاه‌هایی مانند HMIها، IPCها، ربات‌ها، کنترل‌کننده‌های موتور، سیستم‌های بینایی، ماشین‌های CNC و سایر تجهیزات مشابه استفاده می‌کنند.

 

 

 

 

 

 

نتیجه‌گیری و خلاصه پروتکل RS232

در پایان، شما با پروتکل RS-232 آشنا شدید، از جمله تعریف آن، انواع کانکتورها و پیکربندی‌های پین‌ها. همچنین اصول کاری RS-232 را بررسی کردید که شامل اجزای اساسی انتقال داده و روش‌های کنترل جریان سخت‌افزاری و نرم‌افزاری می‌شود. انواع مختلف کابل‌های RS-232 و پیکربندی‌های دستگاه‌ها را نیز مطالعه نمودید و مزایا و معایب استفاده از این پروتکل را شناختید. در نهایت، کاربردهای عملی RS-232 در اتوماسیون صنعتی را شناختید که نشان‌دهنده اهمیت و ماندگاری آن علی‌رغم ظهور فناوری‌های پیشرفته‌تر ارتباطی است. این درک جامع از RS-232 به شما دانش لازم برای استفاده از این پروتکل در پروژه‌های حرفه‌ای‌تان را خواهد داد.