UART це послідовний порт, через який спілкуються мікроконтролери, контролери верстатів, частотні перетворювачі, терморегулятори та інші пристрої. Він передає дані двома лініями: TX (вихід) і RX (вхід), байт за байтом із заданою швидкістю. Порт простий і надійний, але розрахований на короткі з’єднання і підключення одного пристрою до одного.
Конвертер UART в Ethernet ставлять між таким пристроєм і локальною мережею. Він приймає байти з лінії RX, пакує їх у пакети TCP або UDP і надсилає мережею, а пакети з мережі розбирає і видає байти на лінію TX. Вміст даних при цьому не змінюється, тому таку передачу називають прозорою. Пристрій і далі працює зі своїм послідовним протоколом і не знає, що на іншому кінці мережа.
У модулях цієї категорії стоїть чип CH9121. У ньому вже є контролер Ethernet (рівні MAC і PHY) і стек TCP/IP, тому зовнішній мікроконтролер для роботи з мережею не потрібен. Чип підтримує два незалежні послідовні порти, порт Ethernet 10/100 Мбіт/с з автовизначенням типу кабелю і чотири режими роботи: TCP Server, TCP Client, UDP Server і UDP Client.
Мережевий порт для послідовного пристрою потрібен, коли до нього далеко, коли до нього звертаються з кількох комп’ютерів або коли в комп’ютера немає вільного послідовного порту.
Під словами «послідовний порт» ховаються три різні фізичні інтерфейси. Протокол передачі байтів у них однаковий, а рівні напруги різні, і від цього залежить, чи можна підключити пристрій до модуля напряму.
| Інтерфейс | Рівні сигналу | Лінії | Дальність і підключення |
|---|---|---|---|
| UART TTL | 0 і 3.3 В або 0 і 5 В відносно GND | TX, RX, GND | Всередині пристрою або шафи, один пристрій до одного |
| RS-232 | Від ±3 до ±15 В, логічна 1 від’ємною напругою | TX, RX, GND | Короткий кабель між двома пристроями |
| RS-485 | Різниця напруг між лініями A і B | A, B, спільний провід | До 1200 м на низьких швидкостях, до 32 одиничних навантажень на лінії |
Модулі CH9121 працюють з рівнями TTL 3.3 і 5 В. Пристрої з виходом TTL підключають до них напряму. Лінію RS-232 напряму підключати не можна: напруга до 15 В і від’ємна полярність пошкоджують входи TTL, потрібен перетворювач рівнів RS-232. Для RS-485 потрібен зовнішній приймач-передавач, а модуль керує його напрямком передачі через вивід DIR.
Модуль нічого не знає про протокол пристрою. Він збирає байти, що прийшли по UART, і надсилає їх у мережу одним або кількома пакетами, а дані з мережі видає в UART у тому ж порядку. У налаштуваннях порту задають швидкість, кількість біт даних (5, 6, 7 або 8), стопових біт (1 або 2) і контроль парності: немає, парний, непарний, завжди 0 або завжди 1. Ці параметри мають збігатися з налаштуваннями підключеного пристрою.
За документацією чипа похибка швидкості передачі в CH9121 менша за 0.3%, а під час приймання допускається відхилення швидкості до 2%. Тому стандартні швидкості 9600, 19200, 38400, 57600 і 115200 біт/с сумісні з будь-якими пристроями, якщо на обох сторонах виставлене одне й те саме значення.
Режим визначає, хто встановлює з’єднання і як доставляються дані. TCP підтверджує доставку і зберігає порядок байтів, втрачений пакет передається повторно. UDP надсилає пакети без підтвердження: це швидше і простіше, але втрачений пакет не відновлюється.
| Режим | Як працює | Коли обирати |
|---|---|---|
| TCP Server | Модуль чекає вхідного з’єднання на своєму порту | Програма на комп’ютері сама підключається до пристрою |
| TCP Client | Модуль сам підключається до заданої IP-адреси і порту | Пристрій надсилає дані на сервер збору |
| UDP Server | Модуль приймає пакети UDP на своєму порту | Обмін без встановлення з’єднання |
| UDP Client | Модуль надсилає пакети UDP на задану адресу і порт | Потокова передача, де втрата пакета не критична |
Для обміну з частотним перетворювачем, терморегулятором або ПЛК, де важлива кожна команда, обирають TCP. Механізм KEEPALIVE у CH9121 періодично перевіряє з’єднання і виявляє обрив кабелю або зависання комп’ютера; у режимі TCP Client модуль після цього підключається знову.
Якщо частотний перетворювач або терморегулятор працює за протоколом Modbus RTU, конвертер з прозорою передачею не перетворює його на Modbus TCP: кадр RTU з адресою пристрою і контрольною сумою CRC йде в мережу без змін. У Modbus TCP інший формат кадру, із заголовком MBAP з 7 байт і без CRC, тому програма, налаштована на Modbus TCP, такий кадр не зрозуміє.
Виходів два. Перший: у програмі опитування обрати режим Modbus RTU over TCP, якщо він є. Другий: встановити на комп’ютер драйвер віртуального послідовного порту, який пов’язує COM-порт з IP-адресою і портом модуля. Тоді програма працює зі звичайним COM-портом, а дані йдуть мережею.
У форматі 8N1 (8 біт даних, без парності, 1 стоповий біт) на кожен байт припадає 10 біт разом зі стартовим і стоповим. Час передачі рахують так: кількість байт x 10 / швидкість.
| Швидкість | Байт за секунду | Запит Modbus 8 байт | Відповідь на 10 регістрів, 25 байт |
|---|---|---|---|
| 9600 біт/с | 960 | 8.3 мс | 26 мс |
| 19200 біт/с | 1920 | 4.2 мс | 13 мс |
| 115200 біт/с | 11520 | 0.69 мс | 2.2 мс |
Відповідь на читання 10 регістрів Modbus RTU займає 25 байт: адреса, код функції, лічильник байт, 20 байт даних і 2 байти CRC. Для порівняння, пакет зі 100 байт у мережі 100 Мбіт/с передається за 8 мкс. Вузьким місцем залишається послідовний порт, тому швидкість UART піднімають до максимуму, який підтримує підключений пристрій. Модулі CH9121 працюють на швидкостях від 300 до 921600 біт/с.
Лінії UART з’єднують навхрест: вивід TXD модуля йде на вхід RX пристрою, а вивід RXD модуля на вихід TX пристрою. З’єднання TX з TX і RX з RX не працює. Земля GND модуля і пристрою обов’язково спільна, інакше рівні сигналів немає з чим порівнювати.
Двоканальна плата 53x22 мм споживає 140 мА при 5 В, це 0.7 Вт. Порт USB 2.0 видає до 500 мА, цього достатньо. При живленні від виводу 3.3 В плати контролера допустимий струм її стабілізатора перевіряють за документацією плати.
RS-485 працює однією парою проводів в обидва боки, тому приймачу-передавачу потрібно знати, коли передавати, а коли слухати. CH9121 видає на вивід DIR високий рівень на час передачі байтів. Цей вивід підключають до входів дозволу передачі DE і RE приймача-передавача RS-485, і напрямок перемикається автоматично, без участі програми.
Лінію RS-485 прокладають витою парою, на двох крайніх пристроях ставлять узгоджувальні резистори 120 Ом, а всі пристрої на лінії отримують різні адреси Modbus. Для RS-232 між модулем і пристроєм ставлять перетворювач рівнів RS-232 у TTL.
Модуль налаштовують утилітою виробника чипа через мережу або командами по UART. Утиліта знаходить модулі в підмережі, показує їхні параметри і записує нові. Після запису налаштування зберігаються в пам’яті модуля і залишаються після вимкнення живлення.
Із заводу порт 1 працює в режимі TCP Client, порт 2 вимкнений. Мережеві параметри за замовчуванням: адреса модуля 192.168.1.200, маска 255.255.255.0, шлюз 192.168.1.1, порт модуля 2000, адреса призначення 192.168.1.100 і порт 1000. Послідовний порт: 9600 біт/с, 8 біт даних, 1 стоповий біт, без парності.
Комп’ютер і модуль мають бути в одній підмережі: при масці 255.255.255.0 у них збігаються перші три числа адреси. Модуль уміє отримувати адресу через DHCP, але в режимі TCP Server йому задають постійну адресу, інакше після перезавантаження роутера програма не знайде пристрій. Якщо адреса призначення задана доменним ім’ям, модуль визначає її через DNS.
Двоканальний модуль підключає до мережі два пристрої одночасно. Кожен канал працює незалежно: свій режим, свій мережевий порт, своя швидкість і формат даних. Наприклад, перший канал опитує частотний перетворювач по RS-485, а другий передає дані терморегулятора.
Другий канал із заводу вимкнений, його вмикають у налаштуваннях. Обидва порти CH9121 тактуються від одного опорного генератора, тому дві різні швидкості допустимі, якщо обидві є в списку для обраного режиму тактування. Стандартні швидкості від 300 до 115200 біт/с доступні в обох режимах.
Порт Ethernet відокремлений від схеми модуля трансформатором. Стандарт IEEE 802.3 вимагає ізоляції цього вузла не менше 1500 В, і роз’єми RJ45 з вбудованим трансформатором випускають з таким значенням. Трансформатор не пропускає постійну різницю потенціалів між землею верстата і землею комп’ютера в іншому приміщенні.
Сторона UART розв’язки не має: земля модуля з’єднана із землею підключеного пристрою. Модуль ставлять поруч із пристроєм, проводи UART роблять короткими, а кабель Ethernet прокладають окремо від силових кабелів шпинделя і крокових двигунів. Якщо пристрій і модуль живляться від різних блоків живлення, їхні мінуси з’єднують в одній точці.