O que é protocolo RS232 e como funciona?

O protocolo de comunicação RS232 é um protocolo de comunicação serial antigo, desenvolvido pela EIA (Electronics Industry Alliance)/TIA (Telecommunications Industry Association) no ano de 1962. Os designs de hardware modernos usam protocolos de comunicação serial inovadores como USB, Ethernet e Wi-Fi . Mas ainda assim, o RS232 provou ser proeminente.

A razão é que os sinais RS232 se espalham por distâncias maiores quando comparados aos sinais I2C e TTL serial. Além disso, tem melhor imunidade ao ruído. É comprovadamente compatível em diferentes fabricantes para interfacear computadores e modems.

O que é Protocolo RS-232?

Em RS232, ‘RS’ significa (Recommended Standard) Padrão Recomendado. Define a comunicação serial utilizando sinais entre DTE e DCE. Aqui, DTE refere-se a Equipamento Terminal de Dados e DCE refere-se a Equipamento de Comunicação de Dados. Exemplo de dispositivo DTE é um computador e DCE é um modem. Formalmente, ele é especificado como a interface entre o equipamento DTE e o equipamento DCE usando a troca serial de dados binários. O RS232 também conhecido por EIA RS-232C ou V.24.

O DTE (computador) transmite a informação serialmente para o outro equipamento terminal DCE (modem). Neste caso, o DTE envia os dados binários “11011101” para o DCE e o DCE envia os dados binários “11010101” para o dispositivo DTE.

O RS232 descreve os níveis de tensão comuns, padrões elétricos, modo de operação e número de bits a serem transferidos de DTE para DCE. Este padrão é usado para transmissão de troca de informações pelas linhas telefônicas.

Padrões elétricos

As especificações elétricas para RS232 foram atualizadas no ano de 1969. Padroniza as tensões elétricas, taxa de variação, impedância de linha, modo de operação e taxa de transmissão (baud rate).

Níveis de Tensão

As tensões de linha do RS232 variam de -25V a +25V. Eles são categorizados como tensão de sinal e tensão de controle.

A tensão do sinal entre +3V a +25V representa a lógica ‘1’ e as tensões do sinal entre -3V a -25V representam a lógica ‘0’. Considerando que os sinais de tensão de controle usam lógica negativa, ou seja, a lógica ‘1’ indica -3 a -25 volts e a lógica ‘0’ indica +3V a +25V. A tensão de -3V a +3V é considerada como um estado indeterminado.

Taxa de variação (Slew Rate)

A mudança da tensão de entrada determina a taxa na qual o driver RS232 responde. Isso é muitas vezes denominado como taxa de variação. O padrão RS232 mantém uma taxa de variação mínima com tempo de subida e descida lenta para reduzir a interferência entre sinais vizinhos. Normalmente, a taxa de variação máxima permitida é de 30V/µsec.

Impedância de Linha

A linha de impedância entre o driver RS232 e o receptor é definida para maximizar a transferência de tensão entre o transmissor e o receptor. Possui um faixa de 3KΩ a 7KΩ.

Modo de Operação

Os dispositivos RS232 funcionam em sinalização monoterminal (dois fios). Isso significa que um fio transmite um nível de tensão e outro fio é conectado ao terra. Os sinais podem sofrer ruído induzido por diferenças nas tensões de terra dos circuitos do driver e do receptor. A vantagem da técnica de monoterminal é que ela requer menos fios para transmitir informações.

Taxa de Transmissão (Baud Rate)

É o número de bits binários transferidos por segundo. O RS232 suporta taxas de transmissão de 110 a 230.400. Normalmente, são utilizadas as taxas de transmissão de 1.200, 4.800, 9.600, 115.200. Ele determina a velocidade na qual os dados devem ser enviados do transmissor para o receptor.

Nota: A taxa de transmissão deve ser a mesma no lado do transmissor e no lado do receptor.

Interface de comunicação

O RS232 determina a comunicação entre o DTE e o DCE usando conectores DB9 e DB25. Os conectores D-sub (DB9, DB25) vêm com cabo macho e fêmea. O conector DB9 possui 9 pinos e o conector DB25 possui 25 pinos, onde cada pino tendo sua própria função.

Descrição Funcional

Além das características elétricas, o RS232 definiu as funções dos sinais que são utilizados na interface serial. Alguns deles são sinais de terra comum, dados, controle e temporização. A Figura 5 ilustra uma lista de sinais usados na pinagem RS232.

NOME DO SINAL	FUNÇÃO
Aterramento de proteção	Este sinal é conectado ao aterramento do chassi do conector metálico
Terra	Nível de tensão de referência zero para todos os sinais de controle
TX (Pino de Transmissão)	Para transmitir dados do DTE para o DCE
RX (Pino de Recepção)	Envia dados do DCE para o DTE
DTR (Data Terminal Ready))	O DTE está pronto para aceitar a solicitação
DCD (Data carrier Detect)	O DCE aceita uma portadora de um DTE localizado em local remoto
DSR (Data Set Ready)	O DCE está preparado para enviar e receber as informações
RI (Ring Indicator)	Detecta o tom de toque de entrada na linha telefônica
RTS (Request to Send)	Chamada do DTE para o DCE enviar os dados
RTR (Ready to Receive)	O DTE está preparado para receber dados vindos do DCE
CTS (Clear To Send)	O DCE está pronto para aceitar dados vindos do DTE

Tipos de Cabos Seriais

Para possibilitar a comunicação serial entre DTE e DCE, existem dois tipos de cabos RS232. São eles: cabo direto e cabo cruzado. No cabo cruzado, o pino TX (Transmissor) do conector macho é ligado ao pino RX (Receptor) do conector fêmea e o pino RX do conector macho é conectado ao pino TX do conector fêmea.

Em seguida, é o cabo direto. Como o nome indica, é um conector de um para um, ou seja, um pino de transmissão de um dispositivo é conectado ao pino de transmissão de outro dispositivo e o pino receptor de um dispositivo é conectado ao pino receptor de outro dispositivo. Além das conexões, o comprimento do cabo depende da capacitância da fiação. Conforme especificação, o comprimento do cabo é de quase 25 metros.

Como funciona a comunicação RS232?

O funcionamento do RS-232 pode ser entendido pelo formato do protocolo. Como o RS-232 é um protocolo de comunicação assíncrona ponto a ponto, ele envia dados em uma única direção. Aqui, nenhum relógio é necessário para sincronizar o transmissor e o receptor. O formato de dados é iniciado com um bit inicial seguido por dados binários de 7 bits, bit de paridade e bit de parada que são enviados um após o outro.

Formato do protocolo

A transmissão começa enviando um bit inicial ‘0’ (start bit). Isto é sucedido por 7 bits de dados ASCII. O bit de paridade (parity bit) é anexado a esses dados para a validação do receptor. Os dados enviados do transmissor devem corresponder no receptor. Finalmente, a transmissão é interrompida usando um bit de parada (stop bit) e é representado pelo binário ‘1’. Geralmente, 1 ou 2 bits de parada podem ser enviados.

No diagrama acima, o caractere ASCII ‘A’ é enviado usando um fluxo binário serial de ‘1’s e ‘0’s. Ao enviar dados, deve haver um certo atraso entre cada bit. Este atraso é considerado como tempo inativo e a linha RS232 está em estado lógico negativo (-12V).

O que é Handshaking?

Handshake é o processo de troca de sinais de informação entre o emissor (transmissor) e o receptor. Esses sinais constroem um link de comunicação entre o transmissor e o receptor. No RS232, existem dois tipos de handshake. Eles são handshake de hardware e handshake de software.

Os conectores DB9 e DB25 são usados para fins de handshaking. Quando nenhum handshake é executado, apenas o TX (Transmissor) e o RX são acoplados de forma cruzada. Outros pinos, RTS, CTS, DSR e DTR são conectados de como loopback.

Para usar a técnica de handshake, RTS e CTS são acoplados de forma cruzada. Além disso, DTR e DSR também são conectados em modo cruzado.

Por que usar Handshaking?

Para enviar e receber as informações sem perda de dados, é necessário manter uma comunicação robusta entre o transmissor e o receptor. Para fazer isso, o buffer é usado. Buffer é um local de armazenamento temporário que permite que o transmissor e o receptor armazenem os dados até que as informações sejam processadas um pelo outro em velocidades diferentes.

No diagrama acima, o transmissor e o receptor têm seu próprio buffer. O buffer de transmissão contém os caracteres a serem enviados ao receptor. Enquanto o buffer de recepção mantém os caracteres recebidos do transmissor. Se o transmissor enviar dados em uma velocidade mais alta, o receptor pode não receber. Nesse caso, o caractere ‘C’ é perdido pelo receptor. Para evitar isso, o handshake é usado. O handshake permite que o dispositivo transmissor e receptor concordem antes que a comunicação comece.

Handshaking de hardware

O controle de fluxo de transmissão e recepção de dados é feito por meio de handshake de hardware. Ele usa sinais de controle DTR, DSR, RTS e sinais CTS. Normalmente, ao estabelecer a comunicação entre um computador e um modem, os sinais RTS e CTS são usados.

Ele interrompe a substituição dos dados no buffer do receptor. Os sinais são mantidos em estado alto (lógica ‘1’) para ativar o handshake.

Handshaking de software

Este tipo de handshake usa dois caracteres ASCII para comunicação start-stop. Por isso é conhecido como controle de fluxo de software. O handshake de software usa o caractere XON/XOFF para controlar a comunicação serial. ‘XON’ representa Ctrl+S ou caractere ASCII 11, enquanto ‘XOFF’ representa Ctrl+Q ou ASCII 13. Este handshaking requer 3 fios. Eles são TXD, RXD e sinal GND.

Quando o caractere ‘XOFF’ está habilitado, a comunicação é fechada até que o caractere ‘XON’ seja recebido pelo transmissor. Em alguns casos, o buffer do receptor pode sobrecarregar o que faz com que o receptor envie ‘XOFF’ automaticamente para o transmissor.

Como funciona o Handshaking?

No estado inicial, a linha RTS fica em nível ALTO pelo DTE para acordar o DCE. Neste estado nenhum dado é transmitido. Depois disso, o DCE coloca a linha CTS em ALTO para receber os dados. Isso faz com que o DTE responda e coloque o DTR no estado ALTO. Agora, a transferência de dados ocorre. Após a conclusão da transferência de dados, ambos RTS e DTR são colocados em nível BAIXO pelo DTE. Então, o DCE aciona a linha CTS para o estado BAIXO. Isso interrompe a transmissão de dados do DTE.

Dessa forma, o handshake ocorre por solicitação do DTE, assumindo o controle do link de comunicação e permitindo que o DCE transfira os dados.

Diferença entre RS232 e UART

A principal diferença entre o protocolo RS232 e UART são os níveis de tensão. Além disso, ambos suportam comunicação half-duplex e full-duplex.

Os microcontroladores não toleram tensões RS232 e podem ser danificados. Para evitar isso, é usado o UART (Receptor Transmissor Assíncrono Universal). Ele envia e recebe os dados em formato serial. Para fazer a conversão de nível de tensões, o driver IC RS232, como MAX232, é usado entre o UART e a porta serial.

Vantagens

As vantagens do protocolo RS232 o tornam uma interface serial padrão para comunicação de sistema para sistema (system to system) e também para os seguintes benefícios:

Projeto de protocolo simples;
A sobrecarga de hardware é menor que a comunicação paralela;
Padrão recomendado para aplicações de curta distância;
Compatível com comunicação DTE e DCE;
Protocolo de baixo custo para desenvolvimento.

Desvantagens

As desvantagens do protocolo RS232 são: comprimento de cabo mais longo introduz cross talk durante a comunicação serial, falta de imunidade a ruídos que interferem na comunicação.

Aplicações

A comunicação RS232 é usada em diferentes aplicações. Alguns deles são: