RS232-Anschaltung und Gewinnung der Hilfsspannungen
Direkt an der weiblichen SUB-D9-Buchse X1 findet sich eine Brücke zwischen RTS+CTS sowie DTR+DCD+DSR. Aus Sicht des Computers (Data Terminal Equipment, DTE) sieht es dann so aus, als sei ein ständig empfangsbereites Gerät an der RS232-Schnittstelle angeschlossen. Mit diesem uralten Trick lässt sich vielen Anwenderprogrammen sogar ein funktionierendes Hardwareprotokoll vorgaukeln, obwohl natürlich nur RxD und TxD tatsächlich weitergeleitet werden. DTR und RTS bleiben in der Regel auf "logisch 0", solange der Port geöffnet bleibt. Das ist schön. Die positive Spannung von DTR nutzen wir, um über D1 den Elko C1 auf etwa +12V nachzuladen. Somit steht eine gepufferte positive Hilfsspannung zur Regenerierung des normgemäßen RxD-Signals zur Verfügung.
Mit demselben Trick lässt sich auch eine negative Spannung aus der Schnittstelle gewinnen, dafür kommt allerdings bei regulärem Betrieb leider nur die Sendeleitung TxD infrage. Sie liegt, zumindest in den Sendepausen, auf "logisch 1" (Stopp-Bit), und lädt dann über D3 den Elko C2 auf volle negative Schnittstellenspannung von bis zu -12V. (Wenn TxD seiner eigentlichen Aufgabe, dem Datensenden, nachkommt, dann sieht die Ladebilanz für C2 bisweilen schlechter aus, siehe Anmerkungen.)
Ganz nebenbei werden über D2 noch die positiven Zustände von TxD mitgenutzt (gleichmäßigere Auslastung).
Somit steht auch die gepufferte negative Hilfsspannung zur Regenerierung des normgemäßen RxD-Signals zur Verfügung.
Signalrichtung TxD --> TxDTTL
Das bipolare RS232-Sendesignal gelangt über R1 als Vorwiderstand auf die zwei antiparallel geschalteten Sende-LEDs in PC1/PC2. Negativer Sendepegel bringt die LED in PC1 zum Leuchten, positiver Pegel die LED in PC2. Auf TTL-Seite zieht also immer nur einer der beiden Phototransistoren den "Set"- oder aber den "Reset"-Eingang des aus IC1a/b gebildeten R/S-Flipflops gegen Masse. Die Pullup-Widerstände R4/R5 verbessern die Flankensteilheit im Zusammenspiel mit etwas lahmen Optokopplern. Das alte Push-Pull-Spiel sorgt am Ausgang der Kippschaltung für ein sauberes digitales TxD-Rechteck (Pin 2 von X2: TxDTTL).
Signalrichtung RxDTTL --> RxD
Zur Darstellung eines normgerechten bipolaren RxD-Signals muss man, dem Datensignal entsprechend, entweder die positive oder aber die negative Hilfsspannung auf den Eingang RxD durchschalten. Dazu wird das vom Controller kommende Datensignal (Pin 3 von X2: RxDTTL) über IC1c/d jeweils invertiert und treibt dann die entsprechende Sende-LED in PC3 oder diejenige in PC4. R6 und R7 dienen zur notwendigen Strombegrenzung. Auf RS232-Seite schaltet nun entweder PC3 die positive Hilfsspannung, oder PC4 die negative Hilfsspannung nach RxD durch; die Schnittstelle bekommt ihr bipolares Datensignal.
Die symmetrische Arbeitsweise hat hier gleich mehrere Vorteile: Die Schaltung ist energieeffizient, weil die Hilfsspannungen nur durch den Innenwiderstand des RxD-Einganges belastet werden. Und selbst wenn eine der Hilfsspannungen stark einbricht, so verschieben sich die Nulldurchgänge des seriellen Datensignals nur unwesentlich - die Synchronisation des UARTs auf DTE-Seite bleibt erhalten.
Stromversorgung
Betriebsspannung für IC1 (74LS00 - 4xNAND) wird über Pin 1 (0V) und Pin 4 (+5VTTL) von X2 zugeführt. Die Quelle muss lediglich Mindestanforderungen für TTL-Schaltkreise erfüllen, was kein Problem darstellen sollte, wenn ohnehin noch weitere 5V-Systeme mitversorgt werden. Der 5V-Teil zieht bei Verwendung eines 74LS00 maximal 20mA. Mehr als die Hälfte geht übrigens auf das Konto der Sende-LEDs in PC3/PC4.
Geeignete Messpunkte für die Hilfsspannungen sind der Pluspol von C1 bzw. der Minuspol von C2 (siehe Bild 3b). Hier sollten im Ruhezustand bei geöffnetem Port etwa +/-12V gegenüber Signal-Masse (GND) anliegen. Ein paar Volt mehr oder weniger ist nicht weiter schlimm.
Mit dem Oszi sieht man mehr: Das regenerierte RxD-Signal auf RS232-Seite zum Beispiel. Es darf im laufenden Betrieb durchaus auf +/-6V einbrechen, eine normgerechte Schnittstelle sollte das Signal dennoch einwandfrei auswerten können (wie gesagt, nach EIA-232 wären +/-3V die Untergrenze).
Ebenfalls interessante Messpunkte bei der Fehlersuche (Controller empfängt nix?) sind die Kollektoren der Phototransistoren in PC1/PC2 (jeweils Pin 5). Hier sieht man sofort, ob die Koppler bei der gegebenen Geschwindigkeit noch mitspielen. Selbst wenn die Signale schon reichlich "abgerundet" aussehen, kann die Übertragung aufgrund der gegentaktigen Auswertung durchaus noch funktionieren. An den Ausgängen der Kippschaltung (Pin 3+6 von IC1) sollte in jedem Fall ein sauberes und prellfreies TTL-Rechteck stehen. Ob die Signalregenerierung hinreichend symmetrisch funktioniert, lässt sich besonders gut durch Senden einer ununterbrochenen Folge von Nullen und Einsen (ASCII-Zeichen "U", dez.85, hex.55) testen.
Ein allgemeiner Funktionstest ist auch ohne weitere Messmittel möglich. Hierzu einfach RS232-TTL-Wandler (über 1:1 SUB-D9-Verlängerung) mit dem RS232-Port des Computers verbinden, 5V-Spannung anklemmen, Direktverbindung TxDTTL mit RxDTTL (z.B. durch einen "Jumper" auf Pin 2/3 von X2). Durch diesen "Loopback" wird jedes von TxD ausgesendete Zeichen an RxD zurückgeliefert - hier allerdings über den Umweg sämtlicher Optokoppler inklusive digitaler Signalaufbereitung.
Also: Terminalprogramm starten, richtige Schnittstelle wählen, moderate Übertragungsgeschwindigkeit von 9600 Baud einstellen, Softwareprotokoll (Xon/Xoff) an, Echo aus. Mit diesen Einstellungen sollte jedes eingetippte Zeichen unverfälscht zurückgesendet und auf dem Bildschirm angezeigt werden. Mit Kopplern vom Typ CNY17-1 funktioniert der Loopback-Test gewöhnlich bis 57600 Baud.
Andere Optokoppler
Da die Anschlussbelegung bei vielen Optos im DIL-6 Gehäuse identisch ist, lohnt sich ein Test mit Bauteilen "aus der Bastelkiste". Die Schaltung läuft mit vielen Kopplern, deren CTR zwischen 50% bis 200% liegt.
Je Übertragungsrichtung sollten immer zwei Optokoppler desselben Typs verwendet werden (Symmetrie).
Erfolgreich getestet bisher mit: 4N25, 4N36, CNX62, CNX83, CNY17-1, MOC3012, TIL117.
Einschränkungen
Ob der Datenempfang über RxD auf Schnittstellenseite klappt, hängt entscheidend von der Belastbarkeit der positiven und negativen Hilfsspannung ab. Theoretisch wäre folgendes Worst-Case-Szenario denkbar: DTE-RS232 liefert nur sehr schwache Ströme <5mA (Laptop-Müll!), TxD sendet nur Nullbytes. Zur Auffrischung von C2 sind nur noch die obligatorischen Stoppbits nutzbar. Wenn dann auch noch RxD einen vergleichsweise niedrigen Eingangswiderstand hätte und die Gegenseite (Controller) plötzlich lauter Einsen senden wollte, dann könnte die negative Hilfsenergie doch langsam knapp werden...
Als Härtetest habe ich zwei RS232-TTL-Wandler mit CNY17-1 nach Art eines Nullmodems zusammengeschaltet - TxDTTL des einen Wandlers ging auf RxDTTL des zweiten, und umgekehrt. Mit dieser Kopplung wurden zwischen verschiedenen PCs (XT/AT/Pentium) serielle IPX-, Interlink- und Filelink-Verbindungen aufgebaut. Zwischen DTE und RS232-TTL-Wandler waren noch jeweils 2 Meter D-SUB-Verlängerungskabel, was aber erwartungsgemäß keine besondere Rolle spielte (waren auch nicht die billigsten Kabel!). Verzeichnisse und größere Dateien wurden in beiden Richtungen verschoben. Die Übertragung klappte in allen Konfigurationen bis 57600 Baud, unabhängig davon, ob neue oder alte Schnittstellen daran beteiligt waren. (Immerhin ein Indiz für gute Hardware-Kompatibilität dieser Schaltung.)
Mit dem Oszilloskop wurden Datensignale und Hilfsspannungen beobachtet, um einen Eindruck zu bekommen, wie die Energiebilanz unter verschiedenen Impuls- und Dauerbelastungen aussieht. Tatsächlich schwankte die negative Hilfsspannung, je nach Transfermodus, um mehrere Volt; der zulässige Bereich wurde aber zu keinem Zeitpunkt verlassen. Hier zahlt sich aus, dass normgerechte RS232-Eingänge auch bei vermindertem Spannungshub noch sauber mitspielen, solange eben ein echtes bipolares Signal im korrekten Timing angeboten wird. Unterstützend kam wohl noch hinzu, dass die meisten Software-Protokolle nur blockweise (Halbduplex) übertragen; wenn DTE Sendepause hat, kann sich die negative Hilfsspannung erholen.
Ich danke besonders denjenigen,
die mich durch ihre hanebüchenen Pfuschlösungen zu diesem Gegenentwurf inspirierten,
und hoffe, mit der vorliegenden Schaltung einen echten Beitrag für mehr Hardwaresicherheit geleistet zu haben!
Anregungen, Kritik, Fragen oder Spenden? ;-)
Links
Datenblätter CNY17-X
Overview RS232
Wikipedia über RS232
Eine der besten Zusammenfassungen über RS232/EIA232 in englischer Sprache
Vollständige potenzialfreie RS232-Kopplung mit vielen, vielen Optokopplern
Erstveröffentlichung FUNKAMATEUR Ausgabe 11/05 [www.funkamateur.de]
© 2004/2005 Julien Thomas 12/2005, rev. 11/2007
