بررسی دو مدل ارتباط سریال با پروتکل TTL و RS232 چند سناریو کاربردی

ارتباط سریال در بردهای الکترونیکی و بین دستگاه‌های مختلف وظیفه انتقال صحیح و به موقع داده‌ها را دارد. ارتباط سریال معمولا برای انتقال داده‌ها در مسافت بلند استفاده می‌شود. دو ارتباط RS232 و TTL معمولا در این وضعیت کاربرد دارند. این دو پروتکل با بردهای میکروکنترلر از جمله آردوینو یا سایر دستگاه‌های الکترونیکی سازگاری دارند. هرچند که تکنولوژی‌هایی جدیدتر از این دو مورد شکل گرفته‌اند که سرعت بالاتری ارایه می‌کنند. اما همچنان پروتکل RS232 و پروتکل TTL در بردهای الکترونیکی اهمیت زیادی دارند. در این پست مطالبی را به صورت عمومی در خصوص شناخت و تفاوت این دو پروتکل ارایه می‌کنیم. هدف ما ارتقا دانش کاربران فارسی زبان در حوزه الکترونیک و اینترنت اشیا است. تا مدیران و کارشناسان بتوانند انتخاب‌های دقیق‌تر و اقتصادی داشته باشند.

ارتباط سریال چیست؟

ارتباط سریال یک نوع ارتباط الکترونیکی است که برای انتقال اطلاعات بین دو دستگاه یا سیستم الکترونیکی استفاده می‌شود. در این نوع ارتباط، اطلاعات به صورت سری به دستگاه مقصد ارسال می‌شوند، به این معنا که بیت‌های اطلاعات به ترتیب یکی پس از دیگری ارسال می‌شوند. ارتباط سریال در مقایسه با ارتباطات پرسرعت و موازی معمولاً برای انتقال اطلاعات با سرعت پایین‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع ارتباط به صورت یک پیوند تک نقطه‌ای بین دو دستگاه یا بیشتر به کار می‌رود و می‌تواند در انتقال داده‌های مختلفی از جمله صوت، تصویر، یا داده‌های دیجیتال استفاده شود.

در ارتباطات سریال، داده‌ها به صورت بیت به بیت ارسال می‌شوند و هر بیت با استفاده از یک سیگنال الکتریکی یا امواج رادیویی نمایان می‌شود. استانداردهای معروف برای ارتباطات سریال عبارتند از RS232، RS485، UART و TTL. در این ارتباطات، دو دستگاه به کمک تعداد مشخصی سیم یا لاین ارتباطی به یکدیگر متصل می‌شوند. از ارتباطات سریال در بسیاری از کاربردها از جمله اتصال میکروکنترلرها به سنسورها یا دیگر دستگاه‌ها، اتصال کامپیوتر به دستگاه‌های جانبی، و ارتباطات صنعتی استفاده می‌شود. از مزیت‌های این نوع ارتباط می‌توان به سادگی، امکان انتقال داده‌های بلادرنگ، و کابل‌های ساده‌تر نسبت به ارتباطات موازی اشاره کرد.

سه مشخصه مهم در ارتباط سریال

برای درک عمیق‌تر و صحیح‌تر از روش کار ارتباط سریال بایستی چند مشخصه اصلی آنرا درک کنید. در ادامه راجع به سه مورد مهم شامل Baud Rate و Stop Bits و Parity Bit توضیحاتی می‌دهیم.

• باودریت (Baud Rate): باودریت نشان‌دهنده تعداد بیت‌های اطلاعاتی است که در هر ثانیه از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتقل می‌شوند. بیشتر باودریت‌ها به صورت هرثانیه در چند بیت نمایان می‌شوند (مثلاً 9600 باود به معنای 9600 بیت در هر ثانیه). افزایش باودریت می‌تواند سرعت ارتباط را افزایش دهد، اما نیاز به تجهیزات الکترونیکی مناسب و کابل‌های با کیفیت دارد.

• بیت استاپ (Stop Bits): بیت استاپ به تعداد بیت‌های اضافی اشاره دارد که بعد از بیت‌های داده ارسال می‌شوند و قبل از بیت پایانی (بیت استاپ) قرار می‌گیرند. این بیت‌های استاپ برای اعلام پایان هر بسته اطلاعات استفاده می‌شوند و به دستگاه دریافتی اجازه می‌دهند تا آماده برای دریافت داده بعدی شود. مقدار معمول بیت‌های استاپ 1 یا 2 است.

• بیت‌های پاریته (Parity Bits): بیت‌های پاریته برای افزودن اطمینان از صحت ارتباط میان دستگاه‌ها استفاده می‌شوند. این بیت‌ها به عنوان یک نشانگر فرد یا زوج بودن تعداد بیت‌های 1 در بسته اطلاعات عمل می‌کنند. معمولاً مقادیر پاریته می‌توانند Odd (فرد) یا Even (زوج) باشند یا گاهی No Parity (بدون پاریته) استفاده می‌شود. در انتقال داده، دستگاه دریافت‌کننده می‌تواند با بررسی بیت‌های پاریته تشخیص دهد که آیا داده به درستی انتقال یافته است یا خیر.

ارتباط سریال چگونه کار می‌کند؟

ارتباط سریال یک روش ارتباطی است که در آن داده‌ها به صورت تدریجی و به ترتیب از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتقل می‌شوند. در این نوع ارتباط، دو دستگاه یا دو سیستم الکترونیکی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. اطلاعات به صورت بیت به بیت ارسال می‌شوند، به این معنا که هر بیت به ترتیب یکی پس از دیگری ارسال می‌شود. این بیت‌ها شامل بیت‌های داده، بیت‌های پاریته (اختیاری)، بیت استاپ و بیت پایانی می‌شوند. در ارتباط سریال، دو خط مهم به نام‌های Rx و Tx (که به ترتیب مخفف Receiver و Transmitter هستند) برای ارتباط بین دستگاه‌ها استفاده می‌شوند.

Rx (Receiver): خط Rx برای دریافت داده‌ها از دستگاه فرستنده (Transmitter) به دستگاه گیرنده (Receiver) استفاده می‌شود. وظیفه دستگاه گیرنده، دریافت سیگنال‌های سریال از خط Rx و تجزیه و تحلیل بیت‌های داده، بیت‌های پاریته و سایر اطلاعات می‌باشد.

Tx (Transmitter): خط Tx برای ارسال داده‌ها از دستگاه فرستنده به دستگاه گیرنده مورد استفاده قرار می‌گیرد. دستگاه فرستنده مسئول ارسال داده‌ها به ترتیب و به صورت سریال از خط Tx به دستگاه گیرنده است.

به عنوان مثال، در ارتباط Arduino با کامپیوتر، پایه Rx آردوینو به پایه Tx کامپیوتر و پایه Tx آردوینو به پایه Rx کامپیوتر متصل می‌شود. این اتصال دستگاه‌ها را قادر به ارسال و دریافت داده از یکدیگر می‌کند.

سه مدل انتقال در ارتباط سریال

در یک ارتباط سریال ویژگی‌های مهمی مانند باودریت (Baud Rate)، بیت استاپ (Stop Bits)، بیت‌های پاریته (Parity Bits) و فرمت داده (Data Format) تعیین می‌کنند چگونه داده‌ها بین دستگاه‌ها انتقال می‌یابند. سه مدل انتقال زیر این ویژگی‌ها را تعیین می‌کنند.

1. روش سیمپلکس (Simplex Method): در روش سیمپلکس، ارتباط داده‌ها تنها در یک جهت انجام می‌شود. به عبارت دیگر، دستگاه فرستنده و گیرنده مشغول ارسال و دریافت به طور همزمان نیستند. این حالت به صورت یکطرفه عمل می‌کند و یک دستگاه فقط برای فرستادن داده‌ها یا تنها برای دریافت آنها فعال است. این روش معمولاً در مواردی استفاده می‌شود که ارتباط داده‌ها به یک جهت کافی است و نیازی به ارسال و دریافت همزمان نیست.

2. حالت نیمه-داپلکس (Half-Duplex Mode): در حالت نیمه-داپلکس، دستگاه‌ها قادر به ارسال و دریافت داده‌ها هستند، اما نه همزمان. به عبارت دیگر، یک دستگاه در یک زمان مشغول ارسال است و دستگاه دیگر در یک زمان مشغول دریافت است. این حالت به اشتراک‌گذاری یک خط ارتباطی برای ارسال و دریافت میان دو دستگاه اجازه می‌دهد. روش هلف-دوپلکس معمولاً در مواردی استفاده می‌شود که نیاز به ارتباط دوسویه در زمان معین وجود دارد، اما همزمانی ممکن نیست.

3. حالت فول-دوپلکس (Full-Duplex Mode - Most commonly used): در حالت فول-دوپلکس، دستگاه‌ها قادر به همزمانی ارسال و دریافت داده‌ها هستند. به عبارت دیگر، هر دستگاه می‌تواند در هر زمان همزمان اطلاعات را ارسال و دریافت کند. این حالت بسیار شایع است و در بسیاری از ارتباطات دوسویه مدرن مانند ارتباطات اینترنت، اتصالات بلوتوث، و ارتباطات USB به کار می‌رود. استفاده از حالت فول-دوپلکس باعث افزایش بهره‌وری و سرعت ارتباط می‌شود، زیرا دستگاه‌ها می‌توانند بدون تداخل همزمان داده‌ها را ارسال و دریافت کنند.

شناخت ارتباط سریال RS232

ارتباط سریال RS232 یک استاندارد تبادل داده است که برای ارتباط بین دستگاه‌های الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پروتکل به عنوان استاندارد RS232 شناخته می‌شود. در ساده‌ترین حالت ارتباط RS232 از سه خط اصلی تشکیل شده است: خط Tx (Transmit) برای ارسال داده از دستگاه فرستنده به گیرنده، خط Rx (Receive) برای دریافت داده از دستگاه گیرنده، و خط GND (Ground) که به اشتراک گذاری زمین بین دو دستگاه را فراهم می‌کند.

یکی از ویژگی‌های برجسته RS232، استفاده از سیگنال‌های منفی و مثبت برای نمایش بیت‌های داده است. این استفاده از سطوح ولتاژ متفاوت اجازه ارسال اطلاعات با دقت بالا و مقاومت در برابر نویزهای الکترومغناطیسی را می‌دهد. همچنین، RS232 مشخصات فیزیکی و الکتریکی دقیقی دارد که باید در تمام دستگاه‌ها و کابل‌های مورد استفاده رعایت شود تا اطمینان از صحت و سرعت مناسب ارتباط حاصل شود. این استاندارد برای اتصالات مختلف از جمله اتصال کامپیوتر به پرینترها، مودم‌ها، دستگاه‌های جانبی و دیگر دستگاه‌های الکترونیکی به کار می‌رود.

بررسی چند مورد از ماژول‌های RS232

تا اینجا اطلاعاتی را در خصوص این پروتکل دریافت کردید. حال به بررسی چند نمونه از ماژول‌ها و بردهای کاربردی که دارای درگاه RS232 هستند می‌پردازیم. برای تبدیل ارتباط RS232 به استانداردها و رابط‌های دیگر، از تراشه‌ها و ماژول‌های مختلفی استفاده می‌شود که این تراشه‌ها معمولا وظیفه تبدیل سیگنال‌ها، تقویت سیگنال و تطبیق ولتاژ را بر عهده دارند. در ادامه، چند نمونه از تراشه‌ها و ماژول‌های معروف برای تبدیل RS232 را بررسی می‌کنیم.

• تراشه‌های MAX232 و MAX3232: این تراشه‌ها برای تبدیل سیگنال‌های RS232 به TTL (Transistor-Transistor Logic) هستند. MAX232 معمولا برای تبدیل سیگنال RS232 به TTL ولتاژ مناسب برای میکروکنترلرها و مدارهای منطقی استفاده می‌شود.
• ماژول‌های USB to Serial (RS232): این ماژول‌ها به صورت یک دستگاه تبدیل USB به پورت سریال RS232 عمل می‌کنند. این نوع ماژول‌ها برای اتصال دستگاه‌های مجهز به پورت RS232 به کامپیوترها و سایر دستگاه‌های مجهز به پورت USB بسیار مفید هستند.
• تراشه‌های RS485 Transceiver: تراشه‌هایی همچون MAX485 یا مشابه آنها برای تبدیل سیگنال‌های RS232 به RS485 به‌کار می‌روند. این تراشه‌ها امکان اتصال چندین دستگاه به یکدیگر را فراهم می‌کنند.
• ماژول‌های Bluetooth to Serial: این ماژول‌ها از انواع مختلف به عنوان یک راهکار بی‌سیم برای تبدیل ارتباط سریال RS232 به ارتباط بلوتوث (Bluetooth) استفاده می‌شوند. این نوع ماژول‌ها به کمک Bluetooth به دستگاه‌ها امکان ارتباط بی‌سیم با کامپیوترها و دستگاه‌های دیگر را می‌دهند.
• ماژول‌های Ethernet to Serial: این ماژول‌ها به عنوان تبدیل‌کننده بین پورت سریال RS232 و اترنت عمل می‌کنند. آنها امکان ارتباط دستگاه‌های سریالی با شبکه‌های Ethernet را فراهم می‌کنند.

توجه داشته باشید که هر تراشه یا ماژول برای یک نوع ارتباط خاص (مثل RS232 به TTL یا RS232 به RS485) طراحی شده است. انتخاب مناسب بر اساس نیازهای خاص و استانداردهای مورد نیاز ارتباط شما حائز اهمیت است. لینک انواع مبدل‌های RS232 را بررسی کنید.

شناخت ارتباط سریال TTL

ارتباط سریال TTL (Transistor-Transistor Logic) یک فرمت ارتباط سریال الکتریکی است که برای ارتباط بین میکروکنترلرها، سنسورها، ماژول‌های الکترونیکی و سایر دستگاه‌های مشابه استفاده می‌شود. این استاندارد به طور خاص در محیط‌های الکترونیکی و دیجیتال به کار می‌رود و تعدادی از خطوط ارتباطی اصلی را شامل می‌شود که برای ارسال و دریافت داده‌ها از یک دستگاه به دستگاه دیگر استفاده می‌شوند.

خطوط ارتباطی اصلی شامل Rx (Receiver) برای دریافت داده‌ها و Tx (Transmitter) برای ارسال داده‌ها هستند. TTL از سطوح ولتاژ منطقی صفر و یک استفاده می‌کند، به عبارت دیگر، 0 و 5 ولت. ولتاژ صفر برای نمایش بیت منطقی صفر و ولتاژ 5 ولت برای نمایش بیت منطقی یک استفاده می‌شود. این سیستم استاندارد معمولا برای ارتباطات کوتاه مسافت و در محیط‌هایی که نویزهای الکترومغناطیسی ممکن است برخورد کند، مناسب است. 

تفاوت اصلی میان RS232 و TTL در سطوح ولتاژی است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین، در ارتباطات TTL، بیت پایانی و بیت استاپ معمولاً نیاز نیست و تنظیمات سرعت انتقال داده (Baud Rate) نیز معمولاً ثابت و در حدود 9600 بیت در ثانیه است.

بررسی چند مورد از ماژول‌های TTL

پروتکل TTL هم قابلیت تبدیل شدن به انواع دیگر ارتباطی را دارد. در ادامه چند نمونه از ماژول‌های پر کاربرد از پروتکل ارتباط سریال TTL را بررسی می‌کنیم. برای تبدیل ارتباط TTL (Transistor-Transistor Logic) به استانداردهای دیگر ارتباطات سریال یا تبدیل از یک ولتاژ منطقی به ولتاژ‌ها و استانداردهای مختلف، از تراشه‌ها و ماژول‌های مختلف استفاده می‌شود. در زیر، به برخی از این تراشه‌ها و ماژول‌ها اشاره می‌شود:

• MAX232 و MAX3232: این تراشه‌ها به‌عنوان مبدل‌های سطح TTL به RS232 شناخته می‌شوند. MAX232 نسخه اصلی است و برای ارتباط با دستگاه‌های RS232، مثل کامپیوترها و مودم‌ها، استفاده می‌شود. MAX3232 نیز نسخه به‌روز شده‌تری است که از ولتاژ‌های کمتری برای کارکرد استفاده می‌کند و برای ارتباط با دستگاه‌های RS232 و یا TTL مناسب است.
• CP2102 و FT232: این تراشه‌ها از سری تبدیل USB به UART هستند. زمانی که نیاز به ارتباط دستگاه‌های TTL با کامپیوتر یا سایر دستگاه‌ها از طریق USB وجود دارد، این تراشه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. CP2102 و FT232 هر کدام دارای ویژگی‌ها و استفاده‌های خود هستند. 
• MAX485 و SN75176: این تراشه‌ها برای تبدیل ارتباط TTL به استاندارد RS485 مورد استفاده قرار می‌گیرند. RS485 یک استاندارد ارتباطی است که امکان ارتباط نقطه به نقطه (Point-to-Point) یا چندنقطه (Multi-Point) را فراهم می‌کند. 
• Logic Level Converters: این ماژول‌ها و تراشه‌ها به‌صورت کلی برای تبدیل سطوح ولتاژی از یک استاندارد به دیگری مورد استفاده قرار می‌گیرند. مثلاً مبدل‌های سطح ۳.۳ ولت به ۵ ولت یا بالعکس.

توجه داشته باشید که انتخاب تراشه یا ماژول بستگی به نیازهای خاص پروژه، استانداردهای ارتباطات مورد استفاده، و ویژگی‌های خاص مورد نیاز دارد. لینک انواع مبدل‌های TTL را بررسی کنید.

تفاوت بین پروتکل RS232 و TTL

پروتکل‌های ارتباط سریال RS232 و TTL از دیدگاه سطوح ولتاژی، استفاده، و کاربردها تفاوت‌های مهمی دارند.

اولین تفاوت مهم در RS232 و TTL، در سطوح ولتاژ است. در RS232، از سطوح ولتاژ مثبت و منفی برای نمایش بیت‌های منطقی استفاده می‌شود. به عبارت دیگر، ولتاژ مثبت معمولا نمایانگر بیت منطقی 1 و ولتاژ منفی نمایانگر بیت منطقی 0 است. حداکثر و حداقل ولتاژ در پروتکل RS232 برابر با مثبت و منفی 13 ولت است. این سطوح ولتاژ مناسب برای ارتباطات در فواصل طولانی و محیط‌های صنعتی هستند. از طرف دیگر در ارتباط سریال TTL، از سطوح ولتاژ 0 تا 3.3 و 5 ولت استفاده می‌شود که نمایانگر بیت‌های منطقی 0 و 1 به ترتیب هستند.

تفاوت دیگر مربوط به تنظیمات و پارامترهای ارتباطی است. در RS232، معمولا نیاز به تنظیمات جزئی مانند تنظیمات سرعت انتقال داده (Baud Rate)، تعداد بیت‌های داده، بیت‌های پاریته، و بیت‌های استاپ وجود دارد. اما در ارتباط سریال TTL، تنظیمات معمولا ثابت هستند و به صورت معمول در حدود 9600 بیت در ثانیه قرار دارند. این اختلافات تنظیمات باعث سهولت در استفاده از TTL در کاربردهای ساده و کمپیوتری می‌شود. در کل، RS232 بیشتر برای ارتباطات صنعتی و ارتباطات با دستگاه‌های مختلف استفاده می‌شود، در حالی که TTL بیشتر در کاربردهای الکترونیکی و میکروکنترلرها به کار می‌رود.

جمع بندی

در خلاصه، تفاوت اصلی بین RS232 و TTL در سطوح ولتاژی استفاده شده و تنظیمات ارتباطی آن‌ها است. RS232 از سطوح ولتاژ مثبت و منفی با ولتاژهای بیشتر استفاده می‌کند و برای ارتباطات در فواصل طولانی و محیط‌های صنعتی مناسب است. در مقابل، TTL از سطوح ولتاژ 0 و 5 ولت استفاده می‌کند و معمولا برای کاربردهای الکترونیکی و میکروکنترلرها مناسب است. همچنین RS232 تنظیمات ارتباطی گسترده‌تری دارد و بیشتر در ارتباط با دستگاه‌های مختلف الکترونیکی به‌کار می‌رود، در حالی‌که TTL به صورت عمومی در کاربردهای داخلی، اتصالات کوتاه، و ارتباط با میکروکنترلرها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هدف ما در این پست ارتقا آگاهی کاربران فارسی زبان بوده است. بنابراین توضیحاتی که ارایه شد به صورت عمومی است. مشخصا در هر سناریو کاربردی بایستی اطلاعات پروتکل TTL و پروتکل RS232 توسط مهندس فنی الکترونیک بررسی و انتخاب شود. بنابراین اگر این پست برای شما مفید بود و به اطلاعاتتان اضافه کرد، حتما با دیگران به اشتراک بگذارید.