Puertos Seriales Conexión PC Microcontroladores

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1 Puertos Seriales Conexión PC Microcontroladores Puertos del PC Aplicaciones Personales Autor: Carlos A. Narváez V. Ingeniero Electricista Universidad de Oriente Propósito En las aplicaciones de los microcontroladores es muy común utilizar los puertos seriales del PC conjuntamente con un software de aplicación apropiado a fin de establecer comunicación entre el PC y el Sistema basado en microcontroladores. Esta comunicación puede establecer configuraciones iniciales en el microcontrolador y/o el envio de información que procesa el microcontrolador hacia el PC. Los Microcontroladores más caros pueden contener uno o más puertos seriales los cuales pueden ser conectados directamente al PC. En aquellos microcontroladores donde no se disponga de puertos seriales, es necesario la implementación de éste utilizando dos pines y emulando el protocolo serial por software. En ambos casos se hace necesario la adaptación de las señales del microcontrolador (TTL) a las señales del PC (RS- 232C). En el lado del PC es común el desarrollo de aplicaciones utilizando el entorno Visual Basic, poderosa herramienta de desarrollo que contiene interface GUI. El Visual Basic facilita las comunicaciones seriales a través del Control de Comunicaciones MSComm, sin embargo, en algunas aplicaciones es necesario el manejo de todas las lineas de salida y el conocimiento de las todas las líneas de entrada de la interface serial del PC. En este caso es más conveniente el uso de la API de Windows. Comunicación Serial La principal ventaja de la comunicación serial es el uso de menos líneas cuando lo comparamos con la comunicación paralela. Efectivamente un enlace serial puede ser realizado con apenas tres líneas, una para transmisión, una para recepción y una tercera común a las dos anteriores o retorno. El control de flujo puede hacerse por software utilizando protocolos como el XON XOFF o por hardware utilizando algunas líneas adicionales de control. Tambien la transmisión puede ser Half Duplex o Full Duplex y la velocidad de transmisión variable pero estandarizada. En la transmisión serial, como su nombre lo indica, los bits de un carácter ASCII son transmitidos sobre una línea y estan separados en el tiempo. La fig. 1 muestra el formato de la transmisión serial asincronica estándar. En ella podemos distinguir un bit de comienzo, 8 bits correspondientes al carácter y un bit de parada. Los bits correspondientes al carácter son transmitidos comenzando con los LSB.

2 Fig. 1 El Estándar EIA RS-232C Características Eléctricas RS-232C fue desarrollado en 1960 como un estándar para manejar la interconexión entre Terminales y Modems. La característica más resaltante de este estándar, es que los niveles lógicos no son compatibles con TTL. La lógica TTL es usada en la mayoria, por no decir todos, los microprocesadores y microcontroladores, por lo que es necesario la conversión de señales RS- 232C a TTL y viceversa para su interconexión con un PC que use un puerto serial. Un receptor RS-232C interpreta un voltaje más negativo que 3V como un 1 lógico, y un voltaje más positivo que +3V como un 0 lógico. Un transmisor RS-232C debe tener como salida un voltaje más negativo que 5V para un 1 lógico y un voltaje más positivo que +5V para un 0 lógico. Los valores típicos RS-232C para un 0 ó 1 lógico esta entre +/- 10V a +/- 12V. Las características eléctricas del estándar RS-232C permite mayores distancias para los cables de conexión y una mayor inmunidad a ruidos. Designación de Señales Como mencionamos con anterioridad, el estándar RS-232C fue desarrollado originalmente para la interconexión entre un Modem, denominado Data Communication Equipment o DCE, y un Terminal denominado Data Terminal equipment o DTE. La fig. 2 muestra la asignación de pines y los nombres de las señales más utilizadas en un conector RS-232C de 25 Pines.

3 PIN DB25 DB9 Descripción Dirección 2 3 Transmitted data DTE a DCE 3 2 Received data DCE a DTE 4 7 Request To Send (RTS) DTE a DCE 5 8 Clear To Send (CTS) DCE a DTE 6 6 Data Set Ready (DSR) DCE a DTE 7 5 Logic Ground N.A. 8 4 Carrier Detect (DCD) DCE a DTE 20 1 Data Terminal Ready (DTR) DTE a DCE 22 9 Ring Detect (RI) DCE a DTE Fig. 2 Descripción de Señales en conector DB25 En la interconexión de un PC con un sistema basado en microcontroladores, debemos considerar al primero como DTE y al segundo como DCE, para todos los efectos de diseño. También debe tenerse en cuenta, que las señales RTS, CTS, DSR, CD, DTR y RI son activas bajo es decir cero. Una descripción de estas señales, su origen, así como la secuencia en que se producen para el establecimiento de la comunicación, se detalla a continuación: DTR (Data Terminal Ready) Enviado por el DTE cuando este esta encendido y funcionando correctamente. DSR (Data Set Ready) Ennviado por el DCE cuando este esta encendido y trabajando correctamente. RTS (Request To Send) Enviado por el DTE cuando este desea enviar información sobre el enlace. DCD (Data Carrier Detect) Enviado por el DCE cuando este recibe una portadora del enlace de comunicación (Ejemplo Tono de una línea telefónica) CTS (Clear To Send) Enviada por el DCE cuando este tiene control sobre el enlace. TX (Transmitted Data) Línea de datos desde el DTE al DCE RX (Received Data) Línea de datos desde el DCE al DTE Secuencia para el Establecimiento de la Comunicación DTE DCE PIN 20 DTR 0 DTE encendido y funcionando PIN 6 DSR 0 DCE encendido y funcionando PIN 4 RTS 0 DTE listo para comenzar a transmitir PIN 8 DCD 0 DCE Detectó portadora (tono) PIN 5 CTS 0 DCE listo para comenzar a transmitir

4 Protocolo de Comunicación Serial asincrónico estándar El protocolo define una serie de reglas a fin de estandarizar la técnica de comunicación. En este caso se establece un bit de comienzo activo 0 y un bit de parada lógico activo 1. Tambien se contempla velocidades de transmisión hechas estándar: 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 y bit/seg. Diferentes parámetros deben ser especificados cuando configuramos un puerto serial, Los más comunes son: 1. Bits por carácter, usualmente de 5 a 8 bits por carácter 2. Número de stop bits, normalmente 1 o 2 3. Bit de paridad, usado para detectar un error en un único bit, puede ser especificado como par o impar o sin pararidad 4. Velocidad de transmisión Control de Flujo El control de flujo se hace necesario cuando la velocidad de transferencia del DTE es varias veces mayor que la velocidad a la que el DCE procesa los datos. En este caso el buffer del DCE se llenará y en consecuencia habrá pérdidas de datos. El control de flujo puede hacerse por hardware y por software. El control de flujo por software, a veces denominado Xon/Xoff usa dos caracteres ASCII. Xon, normalmente indicado por el caracter ASCII 17 (DC1), y Xoff por el carácter ASCII 19 (DC3). El DCE que normalmente tiene un buffer de memoria pequeño, envia el carácter Xoff, cuando este se llena, indicandole al DTE que pare de enviar datos. Una vez que el DCE tiene espacio para aljojar más datos, envia el carácter Xon para indicarle al DTE que envie información. Este control de flujo tiene la ventaja de no necesitar líneas adicionales ya que los caracteres Xon y Xoff son enviados a través de las líneas TD/RD. Como desventaja tiene la disminución de la velocidad de transferencias debido al envio de los caracteres Xon y Xoff, que no forman parte del mensaje. El control de flujo por hardware, también conocido como RTS/CTS, usa dos líneas del cable serial: RTS y CTS. Cuando el DTE desea enviar datos, este activa la línea RTS. Si el DCE tiene espacio para los datos, lo indica activando la línea CTS y así el DTE inicia la transferencia de información. Si el DCE se queda sin espacio para alojar más datos, entonces desactiva la línea CTS, indicandole al DTE que no envíe más información. El programa Hyperterminal de Windows tiene control de flujo por Hardware, por software Xon/Xoff y None, este último cuando no se va a usar ningún control de flujo.

5 Conversión de Señales RS-232C a TTL y viceversa La conversión de señales TTL a RS-232C y viceversa, se hace necesario debido a la incompatibilidad en las especificaciones eléctricas de estos dos estándares, como vimos con anterioridad. Por un lado las salidas del PC obedecen al estándar RS-232C y del lado del microcontrolador al estándar TTL. La fig. 3 muestra la conversión de las señales RTS, TXD, CTS y DTR provenientes del PC a niveles TTL. El caso contrario, es decir, la conversión de señales TTL provenientes del microcontrolador a niveles RS-232C, requiere de una circuiteria más complicada. Fig. 3 En la fig 4 se muestra los circuitos integrados MC14C88 y MC14C89, el primero utilizado en la conversión de señales TTL a RS-232C y el segundo en la conversión de RS-232Ca TTL. En el caso de este último sólo se requiere de una unica alimentación de +5V. En el caso del integrado MC14C88, se requiere de una doble alimentación, +5V y 10V esta última tensión la podemos lograr de la señal DTR que suministra el PC. Fig. 4

6 Un circuito integrado, más reciente, el MAX-232ª, realiza la conversión de niveles RS-232C a TTL y viceversa utilizando una única alimentación de +5V, tal como se muestra en la fig. 5. Fig. 5

7 Cable Serial La fig. 6 muestra la correspondencia de pines para la construcción de un cable serial utilizando conectores DB9 hembra y DB25 macho. Este cable es de gran utilidad por cuanto los PC normalmente tiene un conector DB9 macho como salida del puerto COM1 y los Modems u otros equipos un conector DB25 hembra. Fig. 6 Por otro lado, la fig. 7 muestra la conexión de un DTE y un DCE utilizando conectores DB25, en donde ambos equipos estan habilidados permanentemente. Fig. 7

8 Visual Basic Programa Test Puertos Seriales Visual Basic es un poderoso entorno de desarrollo basado en GUI, el cual hemos escogido para desarrollar el programa Test que permite verificar el funcionamiento de los puertos seriales de una PC. El Visual Basic incorpora el control Microsoft Comm, el cual facilita el diseño de programas de comunicaciones que utilicen los puertos seriales, sin embargo, la API de Windows, resulta más apropiada en esta aplicación, por lo cual hemos utilizado el módulo de código modcomm escrito por David M. Hitchener y el cual esta disponible en Internet. La fig. 8 muestra el programa desarrollado. Para su prueba hemos fabricado un cable con conectores DB9H y DB25M de acuerdo al esquema mostrado en la fig. 6. El conector DB9 lo colocamos en el puerto serial del PC y el DB25 lo conectamos al Minitest y este último a un modem externo Bocamodem de 2400bps. El programa verifica el estado de las líneas DSR, CTS y DCD y lo coloca en la casilla de verificación respectiva. Si la casilla se activa, indica la condición de activa de la señal que representa. Recuerde que estas señales son activas a 0. Los botones de comando de las señales RTS y DTR cambian el estado de estas señales lo cual se indica en la caja de verificación que acompaña a cada botón. En el cuadro de texto TX se coloca el comando a transmitir al modem y la respuesta de éste es desplegada en el cuadro de texto RX; no se contempla ningún control de flujo, por lo que, independiente del estado de las señales, la transmisión toma lugar y la respuesta sólo depende de que el modem este encendido. Fig. 8

9 ' ' Forma Serial.frm ' Public Sub Command1_Click() ' Cambie modem control lines RTS. If Check1.Value = 1 Then lngstatus = CommSetLine(intPortID, LINE_RTS, False) Check1.Value = 0 Else lngstatus = CommSetLine(intPortID, LINE_RTS, True) Check1.Value = 1 Private Sub Command2_Click() ' Cambie modem control lines DTR. If Check2.Value = 1 Then lngstatus = CommSetLine(intPortID, LINE_DTR, False) Check2.Value = 0 Else lngstatus = CommSetLine(intPortID, LINE_DTR, True) Check2.Value = 1 Private Sub Command3_Click() ' Envia y recibe respuesta del modem strdata = Text1 + Chr(13) ' Set modem control lines. lngstatus = CommSetLine(intPortID, LINE_RTS, True) lngstatus = CommSetLine(intPortID, LINE_DTR, True) Check1.Value = 1 Check2.Value = 1 ' verificar las lineas del modem para poder transmitir ' Write data to serial port. lngsize = Len(strData) lngstatus = CommWrite(intPortID, strdata) If lngstatus <> lngsize Then ' Handle error. ' Read maximum of 64 bytes from serial port. lngstatus = CommRead(intPortID, strdata, 64) If lngstatus > 0 Then Text2 = strdata ElseIf lngstatus < 0 Then ' Handle error.

10 Private Sub Command4_Click() ' Salir del Programa ' Reset modem control lines. lngstatus = CommSetLine(intPortID, LINE_RTS, False) lngstatus = CommSetLine(intPortID, LINE_DTR, False) ' Close communications. Call CommClose(intPortID) End Private Sub Command5_Click() ' Realizar Test del Puerto ' Initialize Communications lngstatus = CommOpen(intPortID, "COM" & CStr(intPortID), _ "baud=2400 parity=n data=8 stop=1") If lngstatus <> 0 Then ' Handle error. lngstatus = CommGetError(strError) MsgBox "COM Error: " & strerror ' RTS y DTR Set Check1.Value = 1 Check2.Value = 1 ' Get modem control lines. lngstatus = CommGetLine(intPortID, LINE_DSR, blnstate) If blnstate = True Then Check3.Value = 1 Else Check3.Value = 0 lngstatus = CommGetLine(intPortID, LINE_CTS, blnstate) If blnstate = True Then Check4.Value = 1 Else Check4.Value = 0 lngstatus = CommGetLine(intPortID, LINE_RLSD, blnstate) If blnstate = True Then Check5.Value = 1 Else Check5.Value = 0 ' Close communications. Call CommClose(intPortID)

11 Private Sub Form_Load() ' Set Com1 como puerto por defecto Option1.Value = True Public Sub Option1_Click() intportid = 1 Public Sub Option2_Click() intportid = 2 ' ' Modulo vglobal.bas ' Definicion de variables Globales ' Global intportid As Integer ' 1 COM1, 2 COM2, 3 COM3, 4 COM4 Global lngstatus As Long ' Valor devuelto en las llamadas a rutinas Global strerror As String ' Descripción Error Global strdata As String ' Envio y recepción de datos Global blnstate As Boolean ' Estado Linea True Activa, False desactiva Nota: Para el funcionamiento de este programa se debe anexar el modulo modcomm.bas Escrito por David M. Hitchner. No se incluye aquí por lo extenso del mismo.

12 Comunicación PC PIC A fin de mostrar como se realiza la comunicación entre un microcontrolador y un PC, hemos preparado el siguiente proyecto. El hardware se muestra en la fig. 9, donde podemos destacar la interface de conversión de señales TTL a RS-232C y viceversa, utilizando el integrado MAX232, el resto lo constituye la circuiteria del microcontrolador PIC16F84A. 1 +V CTS J1 1uF + 1uF RTS RD 1uF TX C1+ C+ C1- C2+ C2- C- T2OUT R2IN U3 VCC GND T1OUT R1IN R1OUT T1IN T2IN R2OUT MAX232 +V RTS RD +V +V 1k 100 CTS TX S1 RESET PIC16F84 RA2 RA3 RA4 MCLR Vss RB0 RB1 RB2 RB3 RA1 RA0 OSC1 OSC2 VDD RB7 RB6 RB5 RB4 15pF 4MHZ 15pF Fig. 9 Desde el punto de vista del software, utilizamos el programa Hyperterminal de Windows, en el lado del PC y hemos confecionado el Programa ECO en el lado del PIC. Este programa responde a la presión de una tecla del PC, enviandola de vuelta. Es necesario desactivar la opción de eco en el programa Hyperterminal y configurarlo para transmisión a 9600 Bit/seg, 8,N,1.

13 /************************************************************************** * Programa Serial - Comunicación PIC - PC 9600 bit/seg, 8,N,1 control * de flujo: None * Rutinas originales: JLS & CAE 05/Sep/1999 * Modificado: Carlos Narvaez, 2002 * Compilado: CC5X Free V3.1 **************************************************************************/ #include "16f84a.h" #define RP0 STATUS.5 #pragma update_rp 0 #pragma config WDTE=off, FOSC=XT, PWRTE=on bit PORTA.0; //RA0 Entrada Request To Send (RTS) bit PORTA.4; //RA4 Entrada RD bit PORTB.0; //RB0 Salida Clear To Send (CTS) bit PORTB.1; //RB1 Salida TX unsigned char rxbuf; void Delay_uSeg (unsigned char timeout) // Delay = 3*timeout + 7uS (including call y return) while (1) timeout--; if(timeout==0) nop(); nop(); return; void TxSerial (unsigned char txbuf) /* Transmite 1 bit de arranque bajo, 8 bits de data y un bit de parada a 9600 bit/seg sin paridad */ char idx; while(1) Carry = 0; // Bit de inicio for (idx=10; idx; idx--) // 3us TxOut = Carry; // 4us Delay_uSeg(28); // 91us (28*3+7) Carry = 1; // 1us txbuf = rr(txbuf); // 1us nop(); // 1us // 3us return;

14 void RxSerial (void) /* Recibe un bit de arranque bajo, 8 bits de data y un bit de parada a 9600 bit/seg sin paridad. Byte time = ms Bit time = 104 us (0.16% error a 4.00 Mhz) Chequeo de bit de comienzo falso Espera por bit de arranque (timeout = 4*1.283ms) Entrada: ninguna Salidas: Carry = 1 operacion exitosa Carry = 0 Timeout o Stop bit erroneo rxbuf = byte recibido */ char idx; rxbuf = 4; // ms timeout idx = 0; while(1) while(rxin!= 0) if((--idx) == 0) if((--rxbuf) ==0) Carry = 0; return; // bit de inicio Delay_uSeg(14); // 1/2 bit delay (14*3*7) if(rxin) continue; // bit de arranque falso rxbuf = 0x80; nop(); nop(); // contador 8 bit y buffer de recepción do Delay_uSeg(30); // (30*3+7) us Carry = RxIn; // bit leido rxbuf = rr(rxbuf); // almacene y cuente while(carry ==0); Delay_uSeg(30); nop(); Carry = RxIn; return; // delay 1 bit // bit de parada leido // 100 us disponibles

15 void main(void) /* Programa Eco...transmite de vuelta el byte recibido */ INTCON = 0; //no interrupciones PORTA = 0; PORTB = 0; RP0 = 1; // Banco 1 TRISA = 0x11; // Puerta A RA0, RA4 Entradas TRISB = 0; // Puerta B salidas OPTION = 0b ; // Divisor 1:16 Pull-Up Desactivadas RP0 = 0; _CTS = 0; // Clear To Send Activa while(1) if(_rts == 0) RxSerial(); if(carry ==1) // Si RTS activa // hay dato a leer // Dato leido TxSerial(rxBuf); // enviar de vuelta