Le protocole RS232

Le protocole RS232 est apparu en 1962, et bien qu'il est vieux, il est toujours beaucoup utilisé en industrie pour la communication entre un ordinateur via un port série et un système électronique. Les communications sont en Full duplex, c'est-à-dire capable de fonctionner dans les deux sens, ainsi la carte peut envoyer des informations et en recevoir.

La liaison RS232 est un protocole de transfert de données asynchrones qui utilise pour se faire un fil de signal et un fil de masse, la norme RS232 précise les niveaux électriques des signaux chargés de véhiculer l’informations et ajoute à la donnée envoyée un certain nombre de signaux de contrôle.

Pour définir la liaison asynchrone, voyons d’abord le fonctionnement d’une liaison synchrone. La liaison synchrone est un mode de communication à 3 fils, un fil de donnée, un fil d’horloge et un fil de masse. Chaque coup d’horloge indique qu’un nouveau bit vient d’être transmis. Il est donc indispensable dans ce mode de communication que l’horloge soit parfaitement synchrone par rapport à la donnée envoyée.

L’idée dans la communication asynchrone est de supprimer cette horloge, afin d’une part de diminuer la taille du bus pour ne passer qu’à un canal indispensable pour transporter l’information (ce qui pourra alors facilité la mise en place d’un système radio) en mettant à l’émetteur et au récepteur une horloge indépendante de chaque coté qui ne sont pas obligées d’être synchrone et dont les fréquences peuvent différer de quelques pourcents sans pour autant empêcher la communication. La liaison asynchrone est donc en théorie beaucoup plus simple à mettre en œuvre.

Pour établir correctement la communication il est nécessaire d’avoir une synchronisation entre l’émetteur et le récepteur. Pour cela il est nécessaire que l’émetteur envoie un signal indiquant au récepteur qu’une trame de donnée va être envoyée. A partir de ce moment tout n’est plus qu’une question de timing. Le protocole et la norme précise la forme du signal transportant l’information ainsi que le débit et la taille de celle-ci. Le débit de l’information est donné en Bauds, 1 baud égale 1 bit par seconde, dans ce cas, le niveau indiquant la valeur du bit envoyer restera présent sur la ligne pendant 1 seconde. Une fois ce temps écoulé, l’émetteur met la ligne au niveau du second bit à envoyé, le récepteur possédant lui aussi une horloge sait quand il doit regarder et enregistrer l’état de la ligne pour en déterminer correctement le bit envoyé et ainsi de suite jusqu’à la fin du mot... Un petit dessin valant mieux qu’un grand discours :

Figure 1: Oscillogramme d'une liaison asynchrone

Précisons pour comprendre ce dessin, que premièrement le récepteur et l’émetteur sont configuré de la même façon, ainsi chacun connaît : la vitesse de transmission, l’état de la ligne au repos, la logique correspondant aux niveaux de la ligne, et la taille du mot envoyé (la donnée plus les éventuelle bits de vérification). Dans le cas de ce dessin, il n’y a pas de bits de vérification, la ligne au repos est au niveau haut, l’état du bit 1 est le niveau haut, et la transmission est finie par 1 bit de stop.

Au départ nous avons donc, une ligne à l’état de repos, ou du moins au niveau haut depuis un temps suffisamment long indiquant que toute transmission précédent est terminée. Une nouvelle communication va alors commencer par un basculement de la ligne à l’état opposé à celui du repos (soit l’état bas dans notre cas) pendant une durée de 1/Vitesse en bauds [sec] ce que nous appellerons une période d’horloge. Le récepteur sait alors qu’il va recevoir une information, il démarre alors son horloge, vu que son horloge est à peu de chose près égale à celle de l’émetteur, à chaque coups d’horloge la ligne portera le nouveau bit. Et après 9 coups d’horloge sur le récepteur, celui-ci sait qu’il à reçu le mot et se mettra en attende d’un bit de « start ». Pour se faire correctement il sera préférable que l’horloge du récepteur se décale d’une demi-période par rapport à l’horloge de l’émetteur afin d’aller lire la valeur présente sur la ligne lorsque celle-ci est à la moitié de sa vie et donc assurer que premièrement le signal à eu le temps de s’initialiser correctement et secondement que si les deux fréquences d’horloge diffère légèrement que l’on ne risque pas de lire le mauvais bit.

Figure 2 : Les pointillés de la première ligne représente l'horloge de l'émetteur, ceux de la deuxième ligne, l'horloge d'un récepteur possédant une exactement la même fréquence décalée d'une demi période, sur la troisième ligne, la fréquence est différente

Nous remarquons dans le cas ci-dessus ou l’horloge est légèrement plus rapide que celle de l’émetteur, que le récepteur va toujours bien lire à un moment où le signal est bien représentatif du bit envoyé. Dans le cas où nous envoyons dix bits, que le récepteur se synchronise à la demi période, pour que l’horloge du récepteur tombe toujours au bon moment, il ne faut pas qu’elle ne bouge d’un vingtième de période (1/2 * 1/10) par bit, sinon le dernier coup d’horloge risque de tomber mal, soit la fréquence du récepteur doit être la fréquence de l’émetteur à 5% près.

Dans le cas de l’émission la seule chose à faire attention c’est d’avoir la fréquence d’émission correcte, mais nous n’aurons pas à la synchroniser vu que c’est l’émission qui joue le rôle de synchronisation pour le récepteur.

La norme RS232 de L’EIA :

Maintenant que nous avons vu le principe élémentaire d’une liaison asynchrone, voyons la particularité d’une liaison RS232 :

Premièrement elle précise l’état des niveaux étant de -25Và -3V pour caractériser le niveau 1 et 3V à 25volt pour caractérisé le niveau 0.

Deuxièmement, la norme précise le type de connecteur utilisé qui est soit un connecteur de type DB9 soit de type DB25, aux pins de ces connecteurs sont définies les différents signaux de la norme rs232. Nous remarquerons qu’il y en a plus que 3 (deux fils pour le data (émission et réception) et fil de masse) car d’autres signaux ont été ajouté mais ne sont pas obligatoire dans le cadre d’une liaison rs232).

Et troisièmement la norme définit un protocole :
Afin que les éléments communicants puissent se comprendre, il est nécessaire d'établir un protocole de transmission. Ce protocole devra être le même pour les deux éléments afin que la transmission fonctionne correctement.
Paramètres rentrant en jeu :

• Longueur des mots : 7 bits (ex : caractère ascii) ou 8 bits
• La vitesse de transmission : les différentes vitesses de transmission sont réglables à partir de 110 bauds (bits par seconde) de la façon suivante : 110 bds, 150 bds, 300 bds, 600 bds, 1200 bds, 2400 bds, 4800 bds, 9600 bds,...
• Parité : le mot transmis peut être suivi ou non d'un bit de parité qui sert à détecter les erreurs éventuelles de transmission. Il existe deux types de parité:

parité paire : le bit ajouté à la donnée est positionné de telle façon que le nombre des états 1 soit paire sur l'ensemble donné + bit de parité.
ex : soit la donnée 11001011 contenant 5 état 1, le bit de parité paire est positionné à 1, ramenant ainsi le nombre de 1 à 6.
parité impaire : le bit ajouté à la donnée est positionné de telle façon que le nombre des états 1 soit impaire sur l'ensemble donné + bit de parité.
ex : soit la donnée 11001001 contenant 5 état 1, le bit de parité paire est positionné à 0, laissant ainsi un nombre de 1 impaire.

• Bit de start : la ligne au repos est à l'état logique 1 pour indiquer qu'un mot va être transmis la ligne passe à l'état bas avant de commencer le transfert. Ce bit permet de synchroniser l'horloge du récepteur.
• Bit de stop : après la transmission, la ligne est positionnée au repos pendant 1, 2 ou 1,5 périodes d'horloge selon le nombre de bits de stop.

Ensuite nous finirons par prévenir que la liaison rs232 sur le câblage prévu à cet effet est censé porter sur 10m, et est capable de monté dans certaines conditions dans lesquelles nous ne rentrerons pas sur 100m. Ce qui rend la norme RS232 énormément utilisée comme bus de terrain pour communiquer entre un ordinateur et un drive ou autre chose dans le cadre par exemple du contrôle d’une machine. Les nouvelles normes telle que l’usb ont des portées nettement moins importante mais avec l’apparition des liaisons sans fils la liaison rs232 tente à laisser le relais. Pour ce faire, il est apparu sur le marché au cours des dernières années des convertisseurs USB vers série, telle que le FTDI ou encore le 18f4550 qui permetten de simuler un port série sur un pc (au travers d’un driver). L’interface alors se connecte sur le port USB mais est reconnue comme un port série sur l’ordinateur, ce qui permet alors d’utiliser les anciens logiciels de contrôle avec une interface électronique plus récente.

La conversion des niveaux :

Les cartes électroniques à base de microcontrôleurs fonctionnent très souvent avec des niveaux TTL soit 0-5Volt, 0V pour le niveau 0 et 5Volt pour le niveau 1. Brancher donc directement une ligne RS232 sur un microcontrôleur n’aurait donc aucun sens et pourrait aussi endommager le système en imposant des tensions de 25volt.

Pour rendre compatible une ligne RS232 avec une carte de ce type il existe un composant très simple d’utilisation que nous allons étudier : le max232. En regardant son schéma interne ci-dessous, nous constatons directement qu’il est premièrement doté d’un convertisseur de tension, au travers des capacités C1 et C3 il génère une tension de 10Volt depuis les 5Volt (doubleur de tension), et au moyen des capacités C2 et C4 il génère une tension de -10Volt a partir de la tension de 10Volt. Il est bien sur évident que la puce est munie de tout un système, avec un oscillateur, des diodes et ... afin d’intégré ce convertisseur DC-DC. Il existe une version de cette puce, le max233, où les capacités sont intégrées directement dedans, mais nous ne rentrerons pas dans ce détail. La valeur des capacités va dépendre de la version de la puce :

La connexion avec le port série se fait via la broche Rx (réception) Tx (émission) et RTS qui donne la possibilité d'émission. Les broches 6, 1 et 4 seront reliées ensembles, Et nous n'oublierons pas de brancher la masse (broche 5) avec la masse du circuit. Les broches 7 et 9 ne sont pas nécessaires dans notre cas.