Übungsaufgaben zu UART und RS-232: COM-Port, Zeichenrahmen und Baudrate

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Zeichenrahmen und Baudrate“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/uart-rs232
- https://oer-informatik.de/zahlensysteme-codes
- https://oer-informatik.de/mcu-aufbau
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/uart-rs232-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- UART
- RS-232
- COM-Port
- Baudrate
- Zeichenrahmen
- Paritätsbit
- Hardware-Handshake
- SPI
- CAN
- USB

Kompetenzstufe: Basiskompetenz (alternativ: Kernkompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Geg.: Lüftungsregler mit TTL-UART (3,3 V), USB-UART-Adapter CH340; COM1, COM4, COM6 im Geräte-Manager

Ges.: passender COM-Port, Prüfung der Auswahl

Der Adapter mit dem Wandlerchip CH340 erscheint als \underline{\underline{\text{COM6}}} (1 Punkt). COM1 ist die eingebaute Schnittstelle der Hauptplatine, COM4 ein virtueller Bluetooth-Port.

Prüfen: Adapter abstecken – COM6 verschwindet aus der Liste –, wieder anstecken – COM6 erscheint wieder (1 Punkt). Alternativ in den Eigenschaften des Eintrags Hersteller und Treiber des Adapters ansehen.

Geg.: 57 600 Bd, Format 8O1

Ges.: Aufbau eines Zeichenrahmens

Je Rahmenteil (Startbit, Datenbits, Paritätsbit, Stoppbit) 0,5 Punkte, Reihenfolge 0,5 Punkte:

• In Ruhe ist die Leitung HIGH.
• Startbit: eine Bitzeit LOW; die fallende Flanke synchronisiert den Empfänger.
• 8 Datenbits, niederwertigstes Bit (D0) zuerst.
• Paritätsbit mit ungerader Parität (O = odd): Es ergänzt die Zahl der Einsen auf eine ungerade Zahl.
• 1 Stoppbit HIGH.

Ein Rahmen umfasst also 1 + 8 + 1 + 1 = \underline{\underline{11\ \text{Bit}}}, jedes Bit dauert 1/57\,600\ \mathrm{Bd} \approx 17{,}4\ \mathrm{\mu s} (0,5 Punkte).

Ges.: Paritätsbit bei ungerader Parität für 0x5B

0\mathrm{x}5\mathrm{B} = 0101\ 1011_2 enthält 5 Einsen (1 Punkt). Bei ungerader Parität muss die Zahl der Einsen in Datenbits und Paritätsbit ungerade sein; 5 ist schon ungerade, also Paritätsbit \underline{\underline{0}} (1 Punkt).

Ges.: Zweck und Ablauf des Hardware-Handshakes

Zweck (1 Punkt): Der Empfänger kann den Sender anhalten, bevor sein Empfangspuffer überläuft, z. B. während der Regler einen Block in den Flash-Speicher schreibt; so gehen keine Zeichen verloren.

Ablauf (1 Punkt): RTS des einen Geräts ist mit CTS des anderen verbunden (gekreuzt). Ist ein Gerät empfangsbereit, setzt es sein RTS aktiv; der Sender sendet nur, solange sein CTS-Eingang aktiv ist. Ist der Puffer fast voll, nimmt der Empfänger RTS zurück, und der Sender pausiert nach dem laufenden Zeichen.

Ges.: Vergleich UART, SPI, CAN

Je richtiger Zeile 1 Punkt:

Geg.: Industrie-PC im Pumpwerk mit acht Anschlüssen (Bild)

Ges.: Erklärung des Begriffs Schnittstelle

Eine Schnittstelle ist die Übergangsstelle zwischen dem Industrie-PC und einem anderen Gerät (oder Netz), an der Daten oder Signale nach festgelegten Regeln ausgetauscht werden (1 Punkt). Festgelegt sind Steckverbinder und Pinbelegung, Pegel und Signalform, Bedeutung der Leitungen und das Protokoll; nur wenn beide Seiten dazu passen, funktioniert z. B. die Verbindung des Industrie-PCs mit dem Bedienmonitor oder mit der Leitstelle (1 Punkt).

Ges.: Bezeichnung und Signalart der Anschlüsse 1 bis 8

Je Anschluss 0,5 Punkte (Bezeichnung und Signalart):

Geg.: Bedienmonitor mit HDMI-Eingang und Lautsprechern

Ges.: Anschluss des Monitors, Begründung

Der Monitor wird an Anschluss 3 (DisplayPort) mit einem Kabel bzw. Adapter von DisplayPort auf HDMI angeschlossen; die meisten DisplayPort-Ausgänge können ein HDMI-Signal ausgeben (DP++), sonst ist ein aktiver Adapter nötig (1 Punkt). DisplayPort und HDMI übertragen Bild und Ton digital über dieselbe Leitung, deshalb kommen auch die Störmeldungen über das Monitorkabel an den Lautsprechern an; ein zusätzliches Audiokabel an Anschluss 8 ist nicht nötig (1 Punkt).

Ges.: Anschluss und Einstellungen für den Barcodescanner

Anschluss 4, der COM-Port mit Sub-D-9-Stecker; die Buchse des Scanners passt darauf (1 Punkt).

In der Software (bzw. im Geräte-Manager) den COM-Port, die Baudrate und das Rahmenformat (Datenbits, Parität, Stoppbits) sowie die Flusssteuerung so einstellen, wie es das Handbuch des Scanners vorgibt (1 Punkt).

Ges.: Bedeutung der Abkürzung USB, Erkennungsmerkmal

USB steht für Universal Serial Bus (1 Punkt). Am Gerät erkennst Du den Anschluss am USB-Symbol, einem Dreizack aus Stamm mit Kreis am Fuß und drei Ästen, die mit Pfeil, Kreis und Quadrat enden; dazu an der Form der Buchse (rechteckig USB-A, klein und oval USB-C) (1 Punkt).

Ges.: höchste Stromentnahme an USB 2.0 und USB 3.0

• USB 2.0: \underline{\underline{500\ \mathrm{mA}}} bei 5 V (1 Punkt)
• USB 3.0: \underline{\underline{900\ \mathrm{mA}}} bei 5 V (1 Punkt)

Geg.: I_\mathrm{Maus} = 100\ \mathrm{mA}, I_\mathrm{LA} = 250\ \mathrm{mA}, I_\mathrm{Stick} = 200\ \mathrm{mA}, I_\mathrm{max} = 500\ \mathrm{mA} (USB 2.0), passiver Hub

Ges.: Gesamtstrom I_\mathrm{ges}, Beurteilung, Lösung

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} I_\mathrm{ges} & = & I_\mathrm{Maus} + I_\mathrm{LA} + I_\mathrm{Stick} & \\ I_\mathrm{ges} & = & 100\ \mathrm{mA} + 250\ \mathrm{mA} + 200\ \mathrm{mA} & \\ I_\mathrm{ges} & = & \underline{\underline{550\ \mathrm{mA}}} & \end{array}

(1 Punkt)

Ein passiver Hub teilt sich den Strom seines einen Upstream-Anschlusses mit allen angeschlossenen Geräten. 550\ \mathrm{mA} > 500\ \mathrm{mA}: Die zulässige Stromentnahme wird überschritten, der Anschluss kann abgeschaltet werden oder die Geräte laufen unzuverlässig (1 Punkt).

Lösung: einen aktiven USB-Hub mit eigenem Netzteil verwenden, der an jedem Anschluss den vollen Strom bereitstellt (oder einen USB-3.x-Anschluss bzw. eine zusätzliche USB-Karte nutzen) (1 Punkt).

Ges.: Erklärung des unterschiedlichen Verhaltens

Maus (Eingabegerät, HID) und USB-Stick (Massenspeicher) gehören zu genormten USB-Geräteklassen, für die das Betriebssystem eigene Klassentreiber mitbringt; sie laufen ohne Installation (1 Punkt). Für den Logic-Analyzer gibt es keinen Klassentreiber, er braucht einen Gerätetreiber des Herstellers bzw. der Auswertesoftware; bis dieser installiert ist, kann das Betriebssystem das Gerät nicht zuordnen (1 Punkt).

Ges.: Auswirkungen der USB-C-Ladepflicht auf die Auswahl

Neue Notebooks laden über eine USB-C-Buchse mit USB Power Delivery und dürfen ohne Netzteil verkauft werden; vorhandene USB-C-PD-Netzteile anderer Hersteller sind nutzbar (1 Punkt). Bei der Auswahl prüfst Du, ob ein Netzteil mitbestellt werden muss, ob dessen Leistung zum Bedarf des Notebooks passt (z. B. 65 W) und ob das Ladekabel für den Strom ausgelegt ist (über 3 A mit E-Marker) (1 Punkt).

Geg.: zwei Geräte mit DTE-Belegung (Sub-D 9), Hardware-Handshake, 9600 Bd, 8N1

Ges.: Kabelart, Verbindungstabelle

Weil beide Geräte DTE-Belegung haben, brauchst Du ein Nullmodemkabel, das die Signale kreuzt; ein 1:1-Kabel würde Ausgang auf Ausgang legen (1 Punkt).

Daten gekreuzt (1 Punkt), RTS/CTS gekreuzt (1 Punkt), DTR/DSR gekreuzt und GND 1:1 (1 Punkt).

Geg.: N = 36\,000 Byte, Format 8N1 (n_\mathrm{Rahmen} = 10 Bit je Byte), Baudrate 9600\ \mathrm{Bd}

Ges.: Übertragungsdauer t

\begin{aligned} &\text{(I)} && n = N \cdot n_\mathrm{Rahmen} \\ &\text{(II)} && t = \frac{n}{\text{Baudrate}} \end{aligned}

I in II (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} t & = & \frac{N \cdot n_\mathrm{Rahmen}}{\text{Baudrate}} & \\ t & = & \frac{36\,000 \cdot 10\ \text{Bit}}{9600\ \text{Bit/s}} & \\ t & = & \underline{\underline{37{,}5\ \mathrm{s}}} & \end{array}

(1 Punkt) Pausen zwischen den Zeichen und Protokollaufwand verlängern das Auslesen.

Geg.: 14 Teilnehmer, zusätzlich Adresse 0 reserviert, also N = 15 Adressen

Ges.: Mindestzahl der Adressbits n

Mit n Adressbits lassen sich 2^n Adressen bilden (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} 2^n & \geq & N & \\ 2^n & \geq & 15 & \color{gray}{\log_2} \\ n & \geq & \log_2 15 \approx 3{,}91 & \\ n & = & \underline{\underline{4\ \text{Adressbits}}} & \end{array}

Mit 4 Bit gibt es 16 Adressen (0 bis 15); 3 Bit (8 Adressen) reichen nicht (1 Punkt).

Ges.: zwei Unterschiede RS-232 / RS-485

Je Unterschied 1 Punkt, z. B.:

• Teilnehmer: RS-232 verbindet nur zwei Geräte (Punkt-zu-Punkt), an RS-485 hängen bis zu 32 Standardlasten an einem gemeinsamen Bus.
• Signal und Reichweite: RS-232 überträgt unsymmetrisch gegen Masse und reicht etwa 15 m; RS-485 überträgt differenziell über ein verdrilltes Aderpaar, ist störfester und reicht bis 1200 m.

Geg.: eine aktive Datenleitung, Ruhepegel HIGH, Format 8N1, Impulsdauern 416 µs bzw. 832 µs

Ges.: Übertragungsart mit Begründung

Die Übertragung ist \underline{\underline{\text{asynchron seriell}}} (UART) (1 Punkt). Begründung (1 Punkt): Es gibt keine Taktleitung, die Leitung ist in Ruhe HIGH, das Zeichen beginnt mit einem LOW-Startbit, und alle Impulsdauern sind ganzzahlige Vielfache derselben Bitzeit (416 µs, 832 µs = 2 Bit).

Ges.: Baudrate aus der Bitzeit t_\mathrm{Bit} = 416\ \mathrm{\mu s}

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} t_\mathrm{Bit} & = & \dfrac{1}{\text{Baudrate}} & \color{gray}{\cdot \text{Baudrate} \quad : t_\mathrm{Bit}} \\ \text{Baudrate} & = & \dfrac{1}{t_\mathrm{Bit}} = \dfrac{1}{416 \cdot 10^{-6}\ \mathrm{s}} & \\ \text{Baudrate} & \approx & \underline{\underline{2400\ \mathrm{Bd}}} & \end{array}

Gerechnet ergibt sich 2404\ \mathrm{Bd} (2 Punkte); die nächste übliche Baudrate ist 2400\ \mathrm{Bd}, die Abweichung von 0,16 % liegt in der Messgenauigkeit (1 Punkt).

Ges.: Datenbyte binär und hexadezimal, ASCII-Zeichen

Abschnitte in Bit zerlegen (416 µs = 1 Bit, 832 µs = 2 Bit) (2 Punkte):

Das LSB kommt zuerst; in der Schreibweise D7 … D0 ergibt sich \underline{\underline{0100\ 1101_2 = 0\mathrm{x}4\mathrm{D}}} (1 Punkt), im ASCII-Code das Zeichen \underline{\underline{\text{„M“}}} (1 Punkt).

Ges.: Rahmendauer t_\mathrm{Rahmen}, Zeichen je Sekunde

\begin{aligned} &\text{(I)} && t_\mathrm{Rahmen} = n_\mathrm{Bit} \cdot t_\mathrm{Bit} \\ &\text{(II)} && t_\mathrm{Bit} = \dfrac{1}{\text{Baudrate}} \end{aligned}

8N1: n_\mathrm{Bit} = 1 + 8 + 1 = 10. II in I (1 Punkt):

t_\mathrm{Rahmen} = \frac{n_\mathrm{Bit}}{\text{Baudrate}} = \frac{10}{2400\ \mathrm{Bd}} \approx \underline{\underline{4{,}17\ \mathrm{ms}}}

Zeichen je Sekunde (1 Punkt):

\frac{1}{t_\mathrm{Rahmen}} = \frac{2400\ \mathrm{Bd}}{10} = \underline{\underline{240\ \tfrac{\text{Zeichen}}{\mathrm{s}}}}

Geg.: 98 304 Byte, 8N1, 2400 Bd

Ges.: Mindestdauer t

Jedes Byte braucht einen Rahmen von 10 Bit (1 Punkt):

t = \frac{98\,304 \cdot 10\ \text{Bit}}{2400\ \mathrm{Bd}} = 409{,}6\ \mathrm{s} \approx \underline{\underline{410\ \mathrm{s}}}

Das sind knapp 7 Minuten.

Das ist eine Untergrenze: Pausen zwischen den Zeichen, Protokoll-Overhead und Schreibzeiten des Flash-Speichers verlängern das Update (1 Punkt).

Geg.: Datenblattauszug des Füllstandssensors

Ges.: Festlegungen einer Schnittstelle am Beispiel

Eine Schnittstelle legt fest, wie zwei Komponenten einer Anlage – hier Sensor und Industrie-PC – Daten austauschen; nur wenn beide Seiten in allen Punkten übereinstimmen, gelangt der Füllstand zur Anzeige. Je Ebene 1 Punkt:

• mechanisch: Anschlussart und Belegung – zwei Adern A und B an Schraubklemmen, am Industrie-PC der COM2-Anschluss,
• elektrisch: RS-485, also differenzielle Pegel zwischen A und B, galvanisch getrennt; dazu die Versorgung mit 24 V DC,
• logisch (Protokoll): 9600 Bd, 7E1, Adresse und Aufbau des Telegramms aus STX, Adresse, vier Ziffern und ETX.

Geg.: Zeichen „3“ = 0x33, Format 7E1

Ges.: Bitfolge des Zeichenrahmens

0\mathrm{x}33 = 011\ 0011_2 (7 Datenbits) (1 Punkt). Übertragen wird das niederwertigste Bit zuerst: D0 … D6 = 1 1 0 0 1 1 0 (1 Punkt).

Die Datenbits enthalten 4 Einsen; bei gerader Parität bleibt die Zahl gerade, das Paritätsbit ist also 0 (1 Punkt).

Vollständiger Rahmen mit Start- und Stoppbit (1 Punkt): \underline{\underline{0\ 1100110\ 0\ 1}}

Geg.: Telegramm aus STX, Adresse, 4 Ziffern, ETX: N = 7 Zeichen; 7E1: n_\mathrm{Rahmen} = 1 + 7 + 1 + 1 = 10 Bit; 9600\ \mathrm{Bd}

Ges.: Telegrammdauer t

\begin{aligned} &\text{(I)} && n = N \cdot n_\mathrm{Rahmen} \\ &\text{(II)} && t = \frac{n}{\text{Baudrate}} \end{aligned}

I in II (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} t & = & \frac{N \cdot n_\mathrm{Rahmen}}{\text{Baudrate}} & \\ t & = & \frac{7 \cdot 10\ \text{Bit}}{9600\ \text{Bit/s}} & \\ t & \approx & \underline{\underline{7{,}29\ \mathrm{ms}}} & \end{array}

(1 Punkt)

Ges.: technische Daten der Schnittstelle Sensor – Industrie-PC

Für 6 sinnvolle Angaben 3 Punkte (je 0,5 Punkte), z. B.:

Ges.: Protokollzeile, weitere Angaben

Protokollzeile (1 Punkt), z. B.:

Vier weitere Angaben (je 0,5 Punkte), z. B.: Auftraggeber und Anlagenstandort, Systemdaten (Typ, Seriennummer, Software- und Firmwarestand), Datum der Übergabe, offene Punkte bzw. Mängel, eingewiesene Personen, Unterschriften von Übergebendem und Kunde.