UART это последовательный порт, через который общаются микроконтроллеры, контроллеры станков, частотные преобразователи, терморегуляторы и другие устройства. Он передаёт данные по двум линиям: TX (выход) и RX (вход), байт за байтом с заданной скоростью. Порт простой и надёжный, но рассчитан на короткие соединения и подключение одного устройства к одному.
Конвертер UART в Ethernet ставят между таким устройством и локальной сетью. Он принимает байты с линии RX, упаковывает их в пакеты TCP или UDP и отправляет по сети, а пакеты из сети разбирает и выдаёт байты на линию TX. Содержимое данных при этом не меняется, поэтому такую передачу называют прозрачной. Устройство продолжает работать со своим последовательным протоколом и не знает, что на другом конце сеть.
В модулях этой категории стоит чип CH9121. В нём уже есть контроллер Ethernet (уровни MAC и PHY) и стек TCP/IP, поэтому внешний микроконтроллер для работы с сетью не нужен. Чип поддерживает два независимых последовательных порта, порт Ethernet 10/100 Мбит/с с автоопределением типа кабеля и четыре режима работы: TCP Server, TCP Client, UDP Server и UDP Client.
Сетевой порт для последовательного устройства нужен, когда до него далеко, когда к нему обращаются с нескольких компьютеров или когда у компьютера нет свободного последовательного порта.
Под словом «последовательный порт» скрываются три разных физических интерфейса. Протокол передачи байтов у них одинаковый, а уровни напряжения разные, и от этого зависит, можно ли подключить устройство к модулю напрямую.
| Интерфейс | Уровни сигнала | Линии | Дальность и подключение |
|---|---|---|---|
| UART TTL | 0 и 3.3 В или 0 и 5 В относительно GND | TX, RX, GND | Внутри устройства или шкафа, одно устройство к одному |
| RS-232 | От ±3 до ±15 В, логическая 1 отрицательным напряжением | TX, RX, GND | Короткий кабель между двумя устройствами |
| RS-485 | Разность напряжений между линиями A и B | A, B, общий провод | До 1200 м на низких скоростях, до 32 единичных нагрузок на линии |
Модули CH9121 работают с уровнями TTL 3.3 и 5 В. Устройства с выходом TTL подключают к ним напрямую. Линию RS-232 напрямую подключать нельзя: напряжение до 15 В и отрицательная полярность повреждают входы TTL, нужен преобразователь уровней RS-232. Для RS-485 нужен внешний приёмопередатчик, а модуль управляет его направлением передачи через вывод DIR.
Модуль ничего не знает о протоколе устройства. Он собирает байты, пришедшие по UART, и отправляет их в сеть одним или несколькими пакетами, а данные из сети выдаёт в UART в том же порядке. В настройках порта задают скорость, число бит данных (5, 6, 7 или 8), стоповых бит (1 или 2) и контроль чётности: нет, чётный, нечётный, всегда 0 или всегда 1. Эти параметры должны совпадать с настройками подключённого устройства.
По документации чипа погрешность скорости передачи у CH9121 меньше 0.3%, а при приёме допускается отклонение скорости до 2%. Поэтому стандартные скорости 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с совместимы с любыми устройствами, если на обеих сторонах выставлено одно и то же значение.
Режим определяет, кто устанавливает соединение и как доставляются данные. TCP подтверждает доставку и сохраняет порядок байтов, при потере пакета он передаётся повторно. UDP отправляет пакеты без подтверждения: это быстрее и проще, но потерянный пакет не восстанавливается.
| Режим | Как работает | Когда выбирать |
|---|---|---|
| TCP Server | Модуль ждёт входящего соединения на своём порту | Программа на компьютере сама подключается к устройству |
| TCP Client | Модуль сам подключается к заданному IP-адресу и порту | Устройство отправляет данные на сервер сбора |
| UDP Server | Модуль принимает пакеты UDP на своём порту | Обмен без установки соединения |
| UDP Client | Модуль отправляет пакеты UDP на заданный адрес и порт | Потоковая передача, где потеря пакета не критична |
Для обмена с частотным преобразователем, терморегулятором или ПЛК, где важна каждая команда, выбирают TCP. Механизм KEEPALIVE у CH9121 периодически проверяет соединение и обнаруживает обрыв кабеля или зависание компьютера; в режиме TCP Client модуль после этого подключается заново.
Если частотный преобразователь или терморегулятор работает по протоколу Modbus RTU, конвертер с прозрачной передачей не превращает его в Modbus TCP: кадр RTU с адресом устройства и контрольной суммой CRC уходит в сеть без изменений. У Modbus TCP другой формат кадра, с заголовком MBAP из 7 байт и без CRC, поэтому программа, настроенная на Modbus TCP, такой кадр не поймёт.
Выхода два. Первый: в программе опроса выбрать режим Modbus RTU over TCP, если он есть. Второй: установить на компьютер драйвер виртуального последовательного порта, который связывает COM-порт с IP-адресом и портом модуля. Тогда программа работает с обычным COM-портом, а данные идут по сети.
В формате 8N1 (8 бит данных, без чётности, 1 стоповый бит) на каждый байт приходится 10 бит вместе со стартовым и стоповым. Время передачи считают так: число байт x 10 / скорость.
| Скорость | Байт в секунду | Запрос Modbus 8 байт | Ответ на 10 регистров, 25 байт |
|---|---|---|---|
| 9600 бит/с | 960 | 8.3 мс | 26 мс |
| 19200 бит/с | 1920 | 4.2 мс | 13 мс |
| 115200 бит/с | 11520 | 0.69 мс | 2.2 мс |
Ответ на чтение 10 регистров Modbus RTU занимает 25 байт: адрес, код функции, счётчик байт, 20 байт данных и 2 байта CRC. Для сравнения, пакет из 100 байт в сети 100 Мбит/с передаётся за 8 мкс. Узким местом остаётся последовательный порт, поэтому скорость UART поднимают до максимума, который поддерживает подключённое устройство. Модули CH9121 работают на скоростях от 300 до 921600 бит/с.
Линии UART соединяют крест-накрест: вывод TXD модуля идёт на вход RX устройства, а вывод RXD модуля на выход TX устройства. Соединение TX с TX и RX с RX не работает. Земля GND модуля и устройства обязательно общая, иначе уровни сигналов не с чем сравнивать.
Двухканальная плата 53x22 мм потребляет 140 мА при 5 В, это 0.7 Вт. Порт USB 2.0 выдаёт до 500 мА, этого достаточно. При питании от вывода 3.3 В платы контроллера допустимый ток её стабилизатора проверяют по документации платы.
RS-485 работает по одной паре проводов в обе стороны, поэтому приёмопередатчику нужно знать, когда передавать, а когда слушать. CH9121 выдаёт на вывод DIR высокий уровень на время передачи байтов. Этот вывод подключают к входам разрешения передачи DE и RE приёмопередатчика RS-485, и направление переключается автоматически, без участия программы.
Линию RS-485 прокладывают витой парой, на двух крайних устройствах ставят согласующие резисторы 120 Ом, а все устройства на линии получают разные адреса Modbus. Для RS-232 между модулем и устройством ставят преобразователь уровней RS-232 в TTL.
Модуль настраивают утилитой производителя чипа по сети или командами по UART. Утилита находит модули в подсети, показывает их параметры и записывает новые. После записи настройки хранятся в памяти модуля и сохраняются после выключения питания.
С завода порт 1 работает в режиме TCP Client, порт 2 выключен. Сетевые параметры по умолчанию: адрес модуля 192.168.1.200, маска 255.255.255.0, шлюз 192.168.1.1, порт модуля 2000, адрес назначения 192.168.1.100 и порт 1000. Последовательный порт: 9600 бит/с, 8 бит данных, 1 стоповый бит, без чётности.
Компьютер и модуль должны быть в одной подсети: при маске 255.255.255.0 у них совпадают первые три числа адреса. Модуль умеет получать адрес по DHCP, но в режиме TCP Server ему задают постоянный адрес, иначе после перезагрузки роутера программа не найдёт устройство. Если адрес назначения задан доменным именем, модуль определяет его через DNS.
Двухканальный модуль подключает к сети два устройства одновременно. Каждый канал работает независимо: свой режим, свой сетевой порт, своя скорость и формат данных. Например, первый канал опрашивает частотный преобразователь по RS-485, а второй передаёт данные терморегулятора.
Второй канал с завода выключен, его включают в настройках. Оба порта CH9121 тактируются от одного опорного генератора, поэтому две разные скорости допустимы, если обе есть в списке для выбранного режима тактирования. Стандартные скорости от 300 до 115200 бит/с доступны в обоих режимах.
Порт Ethernet отделён от схемы модуля трансформатором. Стандарт IEEE 802.3 требует изоляции этого узла не меньше 1500 В, и разъёмы RJ45 со встроенным трансформатором выпускают с таким значением. Трансформатор не пропускает постоянную разность потенциалов между землёй станка и землёй компьютера в другом помещении.
Сторона UART развязки не имеет: земля модуля соединена с землёй подключённого устройства. Модуль ставят рядом с устройством, провода UART делают короткими, а кабель Ethernet прокладывают отдельно от силовых кабелей шпинделя и шаговых двигателей. Если устройство и модуль питаются от разных блоков питания, их минусы соединяют в одной точке.
