Les UART garantissent des communications industrielles longue distance fiables via les interfaces RS-232, RS-422 et RS-485

La détection et le contrôle industriels représentent de nombreux défis à relever pour un bus de communication. À titre d'exemple, des longueurs de câble de plusieurs centaines ou milliers de mètres sont fréquentes, tandis que l'environnement industriel lui-même est connu pour ses conditions de fonctionnement souvent difficiles. L'équipement industriel peut être exposé à une vaste plage de températures, à un niveau de bruit électrique élevé à proximité de l'alimentation et des lignes de données, ainsi qu'à des événements de défaillance tels que des interférences électromagnétiques (EMI), des décharges électrostatiques (DES) ou des courts-circuits.

La solution à ces problèmes est l'utilisation d'une interface série robuste basée sur un émetteur-récepteur universel asynchrone (UART), également appelé élément de communications asynchrones (ACE) par certains fournisseurs. Les UART sont disponibles en tant que dispositifs autonomes, tels que le modèle TL16C752D de Texas Instruments, ou en tant que partie intégrante d'un microcontrôleur, comme le modèle PIC16F688T-I/SL de Microchip Technology.

Associé aux circuits d'attaque de ligne appropriés, un UART peut fonctionner sur de longues distances : de 15 m pour le bus de données série RS-232 jusqu'à 1000 m pour les interfaces RS-485 et RS-422. Ces trois protocoles servent à fournir des mécanismes de contrôle aux machines et contrôleurs à distance dans les applications d'automatisation industrielle, et ils sont conçus pour minimiser les effets des interférences électromagnétiques et des décharges électrostatiques dans les conditions les plus rudes.

Cet article fournit des informations sur ces protocoles d'interface de contrôle industriel fréquemment utilisés et montre comment les implémenter à l'aide d'UART et de circuits d'attaque de ligne.

RS-232

La norme de communications série RS-232 est également actuellement appelée EIA/TIA-232-F, qui est une norme Electronic Industries Association/Telecommunications Industries Association. La lettre F indique la dernière révision. La norme est identique aux normes V.24 et V.28 de l'ITU (International Telecommunications Union). Cette interface était le bus série d'origine sur les ordinateurs personnels. Elle servait initialement à connecter l'ordinateur, appelé DTE (équipement terminal de traitement de données), à un modem, appelé DCE (équipement de communications de données).

La norme EIA/TIA-232-F définit une couche physique, y compris la temporisation et les niveaux des signaux, les signaux de commande, les connecteurs et le câblage des connecteurs. Elle ne définit pas le codage des caractères, la trame ni les autres aspects du niveau protocole. Un bus série asynchrone typique inclut un UART ou un ACE, des circuits d'attaque de ligne, des connecteurs et des câbles (Figure 1).

Figure 1 : Un système RS-232 de base comprend un équipement terminal de traitement de données (DTE), tel qu'un ordinateur, et un équipement de communications de données (DCE), tel qu'un modem. Un UART/ACE connecte le fond de panier de l'ordinateur parallèle à l'interface RS-232 série. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'UART/ACE convertit le bus parallèle interne de l'ordinateur en flux de données série. Il fournit également la mémoire tampon E/S de type premier entré/premier sorti (FIFO), une horloge d'interface (généralement appelée générateur de débit en bauds) ainsi que des signaux de mise en liaison et de temporisation de l'interface. L'entrée et la sortie analogiques de l'UART/ACE peuvent être mises en tampon par un circuit d'attaque de ligne. La sortie du DTE est appelée signal de l'émetteur (T_X), tandis que l'entrée est appelée signal reçu (R_X). Le câble d'interface est limité à une longueur maximum de 15 m. La longueur du câble détermine le débit de données maximum pouvant être utilisé en toute fiabilité par le bus d'interface.

L'interface RS-232 relie deux dispositifs à l'aide d'une connexion en duplex intégral, ce qui signifie que chaque dispositif est en mesure de transmettre et de recevoir simultanément. Le paquet de données série RS-232 se compose d'un bit de départ, de 5 à 8 bits de données, de 1/1,5/2 bits d'arrêt et d'un bit de parité (Figure 2).

Figure 2 : Un paquet de données RS-232 se compose d'un bit de départ, de 5 à 8 bits de données (8 bits représentés sur le schéma), d'un bit de parité (en option) et de 1, 1,5 ou 2 bits d'arrêt. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le câble minimum requis pour RS-232 est composé de trois fils : un pour l'émission, un pour la réception et un pour la mise à la terre du signal. La terre correspond au retour pour les deux conducteurs de signaux.

De nombreuses caractéristiques de l'interface RS-232 sont liées à son application d'origine dans les télécommunications. Elle utilise une logique négative avec un état haut, appelé espace, et un état bas, appelé marque. L'état neutre ou de repos est haut afin que l'interconnexion puisse être vérifiée à distance. Du côté de l'émetteur, un état 0, ou espace, est une tension comprise entre +5 V et +15 V. La logique 1, ou état marque, est une tension comprise entre -5 V et -15 V. Côté réception, un niveau de 3 V à 15 V correspond à 0, tandis qu'un niveau de -3 V à -15 V correspond à 1.

Le transfert est qualifié d'asynchrone parce qu'aucun signal d'horloge n'est transmis. L'interface RS-232 s'appuie sur les deux côtés du bus configuré pour un débit en bauds ou une fréquence d'horloge spécifique. Le débit en bauds est une mesure du nombre de symboles transférés par seconde ; pour l'interface RS-232, il correspond environ à la fréquence d'horloge. Les débits en bauds courants sont 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600, 115 200, 230 400, 460 800 et 921 600 bauds.

Plus la fréquence d'horloge est élevée, plus la longueur du câble est limitée. À titre d'exemple, à 9600 bauds, la longueur de câble maximum totale de 15 m peut être utilisée. À des débits en bauds supérieurs, la longueur de câble maximum est réduite.

Signaux de commande RS-232

L'interface RS-232 possède un certain nombre de signaux de commande spécifiés. Ils indiquent l'état des dispositifs DTE et DCE, tout en implémentant une mise en liaison matérielle afin de réguler le transfert de données (Tableau 1).

Tableau 1 : Signaux de commande et de mise en liaison de l'interface RS-232. (Source du tableau : DigiKey Electronics)

La mise en liaison matérielle est implémentée à l'aide des signaux de contrôle de flux Request to Send (RTS) et Clear to Send (CTS) afin de garantir que les deux dispositifs sont prêts à transférer des données et que les données ont été reçues par le dispositif de réception. La mise en liaison matérielle est appliquée en utilisant les actions suivantes :

1. L'équipement terminal de traitement de données abaisse la ligne RTS jusqu'à l'état 1 ou marque
2. L'équipement de communications de données place la ligne CTS jusqu'à l'état 1 ou marque
3. L'équipement terminal de traitement de données place la ligne Data Terminal Ready (DTR) à l'état 1 ou marque pour la durée du transfert de données
4. À la fin du transfert, l'équipement terminal de traitement de données rétablit les lignes DTR et RTS à l'état 0 ou espace
5. L'équipement de communications de données rétablit la ligne CTS à l'état 0 ou espace

L'interface RS-232 peut également utiliser une mise en liaison informatique pour contrôler le flux de données lorsque les caractères X_ON (ASCII DC1, hex 11) et X_OFF (ASCII DC3, hex 13), envoyés dans le flux de données, effectuent une synchronisation similaire des données transférées.

Schéma fonctionnel d'un UART

Le TL16C752D de Texas Instruments est un UART double doté de 64 octets de FIFO de réception et de transmission offrant des débits de données jusqu'à 3 mégabits par secondes (Mbits/s) (Figure 3).

Figure 3 : Le schéma fonctionnel de l'UART double 3 Mbit/s TL16C752D de Texas Instruments illustre les 64 octets FIFO et les lignes d'interface. (Source de l'image : Texas Instruments)

Chaque section de l'UART a son propre générateur de débit en bauds contrôlé par logiciel. L'interface de bus de données réalise la conversion des données parallèle vers série et alimente les deux sections de l'UART double. Chaque section présente des lignes de contrôle indépendantes. Le TL16C752D fonctionne à partir d'une tension d'alimentation de 1,8 V à 5,5 V sur une plage de températures de -40°C à +85°C.

UART basés sur microcontrôleur

De nombreux microcontrôleurs, tels que le PIC16F688T-I/SL de Microchip Technology, incluent des interfaces de données série afin de communiquer avec des moniteurs, des convertisseurs analogique-numérique (CAN) et des convertisseurs numérique-analogique (CNA) externes, ou d'autres microcontrôleurs (Figure 4).

Figure 4 : Le microcontrôleur CMOS PIC16F688T-I/SL de Microchip Technology inclut une interface série utilisant un EUSART (émetteur-récepteur synchrone/asynchrone universel amélioré). (Source de l'image : Microchip Technology)

L'EUSART, parfois appelé interface de communications série (SCI), peut être configuré en tant que liaison de données série asynchrone en duplex intégral ou synchrone en semi-duplex. L'EUSART présent dans le microcontrôleur PIC16F688T-I/SL contient l'intégralité des registres à décalage, des générateurs d'horloge et des tampons de données nécessaires au transfert de données série E/S, indépendamment de l'exécution du programme du microcontrôleur. Il est doté d'un tampon de réception à deux caractères et d'un tampon de transmission à un seul caractère. L'interface asynchrone en duplex intégral est utile pour communiquer avec des périphériques externes tels qu'un écran, ce qui correspond à la principale application pour cette interface dans le microcontrôleur.

Circuits d'attaque de ligne

Les circuits d'attaque de ligne améliorent le fonctionnement des UART par la mise en tampon des signaux de transmission et de réception. Ils sont utiles car leur fonctionnement correspond parfaitement aux spécifications de niveau de tension RS-232. L'émetteur-récepteur RS-232/TIA/EIA-232-F double MAX232DR de Texas Instruments est un exemple de ce type de dispositif (Figure 5).

Figure 5 : Utilisation du récepteur/circuit d'attaque double MAX232DR pour la mise en tampon d'un UART double TL16C752D. Le MAX232DR peut tolérer des tensions d'entrée jusqu'à ±30 V, tandis que les sorties sont protégées contre les courts-circuits à la masse. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le récepteur/circuit d'attaque MAX232DR présente des avantages dans les applications industrielles où de plus hautes tensions sont requises. Il peut supporter des tensions d'entrée jusqu'à ±30 V. Le dispositif inclut un générateur de tension capacitif utilisant quatre condensateurs externes afin de fournir des niveaux de tension RS-232 de -5 V à -7 V et de +5 V à +7 V aux sorties à partir d'une alimentation simple de 5 V.

Signalisation différentielle

L'interface RS-232 utilise des connexions asymétriques pour la ligne de transmission et de réception. Avec ce type de connexion asymétrique, les tensions de signaux sont mesurées de la ligne à la terre. L'environnement industriel présente beaucoup de bruit, capté par les lignes de signaux RS-232, ce qui limite la longueur de câble des bus. L'utilisation d'une signalisation différentielle est un moyen classique de contourner cette limite.

Un bus différentiel est constitué de deux fils pour chaque signal, et les signaux sont mesurés en prenant la différence de tension entre les deux fils. Comme le bruit et la diaphonie sont généralement communs aux deux lignes de signaux, la mesure de différence soustrait ces signaux presque identiques, ce qui réduit considérablement leur amplitude. De plus, les câbles différentiels sont également blindés afin de réduire davantage le captage du bruit et des interférences.

Il existe deux normes courantes de bus de données qui utilisent des lignes de signaux différentiels : RS-422 (TIA/EIA-422) et RS-485 (TIA/EIA-485), cette dernière étant le bus série industriel le plus fréquemment rencontré. Ces normes utilisent des lignes de transmission à paires torsadées où les dispositifs connectés peuvent être espacés jusqu'à 1200 m. Le débit de données maximum des deux normes est de 10 Mbits/s. Une comparaison des trois bus série est fournie (Tableau 2).

Tableau 2 : Comparaison des caractéristiques des normes RS-232, RS-422 et RS-485. (Source du tableau : DigiKey Electronics)

La norme RS-422 diffère de la norme RS-485 qui peut fonctionner avec jusqu'à 32 émetteurs-récepteurs (d'autres pouvant être ajoutés à l'aide d'extenseurs de bus) alors que la norme RS-422 est limitée à seulement 10 récepteurs sur le bus. RS-485 en mode duplex intégral requiert quatre fils, alors que seuls deux fils sont nécessaires pour un fonctionnement semi-duplex et RS-422 (Figure 6).

Figure 6 : Topologies de duplex intégral (à gauche) et semi-duplex d'une interface RS-485. L'ordinateur ou le dispositif maître est indiqué en rouge, les autres dispositifs sont en bleu. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le câblage des bus différentiels nécessite deux conducteurs pour chaque ligne de signaux de transmission ou de réception, comme illustré dans la figure. Le fonctionnement en duplex intégral nécessite quatre fils, tandis que celui en semi-duplex n'en requiert que deux. En raison de la vitesse plus élevée des interfaces RS-422 et RS-485, les lignes de transmission doivent être terminées à chaque extrémité. Pour une paire torsadée, les résistances de terminaison R_T sont de 120 ohms (Ω). Comme la configuration UART double du circuit intégré d'interface du TL16C752D le laisse supposer, il dispose d'un mode RS-485. C'est la raison pour laquelle de nombreux UART et circuits d'attaque de ligne associés utilisent la configuration double.

Les niveaux de tension côté émetteur sont de ±6 V pour RS-422, et compris entre -7 V et +12 V pour RS-485. Au niveau du récepteur, la sensibilité est de ±200 millivolts (mV) pour les deux normes.

Conclusion

Les trois interfaces série RS-232, RS-422 et RS-485 offrent différentes possibilités pour des communications série robustes sur de courtes et longues distances. Les UART constituent la base des trois normes et facilitent l'ajout de communications série à des conceptions, notamment celles destinées à des environnements industriels difficiles.