Seri Haberleşme Protokolleri

Seri haberleşme protokolleri, verilerin bir seferde bir bit halinde iletilmesi işlemidir. Bu tür iletişim, genellikle kısa mesafeli veri iletimi için kullanılır ve özellikle düşük hızda veri transferi yapılması gereken durumlarda tercih edilir. Bu yazıda, çeşitli seri haberleşme protokollerini ve kullanım alanlarını inceleyeceğiz.

Seri haberleşme için geçerli, standartlaşmış bazı senkron ve asenkron protokoller vardır, detaylı anlatımda ise UART, SPI, USB, Modbus, CANBUS ve I2C protokolünü inceleyeceğiz. Bunlar cihazların birbiriyle veya bir ana kontrolcü ile haberleşmesini sağlar. Yazımıza öncellikle senkron ve asenkron haberleşme hakkında bilgi vererek başlayalım;

Seri Haberleşme Protokollerinin Temel Özellikleri

Seri haberleşme protokollerinin temel özellikleri aşağıda sıralanmıştır:

Çift yönlü iletişim: Bazı protokoller tam-dupleks (hem gönderme hem alma aynı anda), bazıları ise yarım-dupleks (tek yönlü iletişim) olarak çalışır.

Veri iletimi: Veriler, genellikle 0 ve 1’lerden oluşan bitler olarak bir hat üzerinden iletilir.

Hızlar: Seri protokoller farklı veri iletim hızlarına sahiptir. Bazı protokoller düşük hızda çalışırken, bazıları yüksek hızda veri iletebilir.

Senkron Haberleşme

Senkron haberleşme gerçekleştirilirken, gönderilen veri biti ve alınan veri biti birbiriyle uyum içerisinde olmalıdır. İletişimi gerçekleştirecek olan aygıtlar eş zamanlı olarak çalışmak zorundadır. Yani alıcı ve verici aynı saat (clock) üzerinde olmalıdır.

Asenkron Haberleşme

Asenkron haberleşme yapmak için belirli bir clock’a ihtiyaç duyulmaz. Veri herhangi bir anda iletilebilir. Belirli standartlar kullanılarak gerçekleştirilir ve senkron haberleşmeye göre daha yavaş bir iletim olur.

UART Protokolü

UART hakkında detaylı bir şekilde hazırladığımız buradaki içeriğimize bakmanızı öneriyoruz.

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), bilgisayar ve mikrokontrolcüler veya mikrokontroller ve çevre birimler arasında haberleşmeyi sağlayan haberleşme protokolüdür. Asenkron olarak çalıştığı için herhangi bir “clock” ihtiyacı duymaz. USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) ise hem senkron hem de asenkron olarak çalışabilir.

UART’a göre daha gelişmiş bir protokoldür. Haberleşme mantıklı aynı şekilde çalışır ancak USART aynı zamanda senkron haberleşmeleri de gerçekleştirebilir. Yeni çıkan bir mikroişlemcinin datasheet’ine baktığınız zaman bu birimleri genelde USART birimi olarak görüyoruz çünkü USART aynı zamanda UART’ı da kapsayan bir birim olarak tasarlanmıştır. USART, 5 ve 9 bit arası data uzunluğuna sahip veriyi taşıma özelliğine sahiptir. Ancak genel olarak 8 veya 9 bitlik kullanımlar tercih edilir.

UART-USART Haberleşmesi

UART haberleşmesini gerçekleştirirken ilk olarak baudrate (veri taşıma hızı) ayarlanması gerekir. Veri taşıma hızı çok çeşitli aralıklarda olabilir ancak piyasada yaygın olarak kullanılan baudrate’ler 4800, 9600, 57600, 115200 ve mikroişlemciler için çok fazla tercih edilmese de 921600 genelde hızlı işlem gerektiren yerlerde kullanılır.

Baudrate verimizin saniyede ne kadarlık byte’ını taşıyacağını belirlememize yarar. Örneğin veri taşıma hızımızı 115200 seçersek bu bizim için saniyede yaklaşık olarak 11520 byte veri iletimi sağlayacaktır. Veri iletimi için aşağıdaki görseldeki gibi bir yapı kullanılır. Yani haberleşme işlemimiz bir başlangıç bitinden sonra data bitleri, ardından parity biti ve son olarak da bitiş biti gönderilerek sonlandırılır. Bu işlem sırasında data uzunluğu ve parity biti opsiyonel olarak değişkenlik gösterebilir.

Bu haberleşme tipini kullanabilmemiz için alıcı ve vericinin veri taşıma hızlarının (baudrate) aynı olması gerekmektedir(veya birbirine çok yakın değerler olması gerekir). Bunun sebebi ise aktarım sırasında oluşabilecek hataları minimuma indirmektir. Hata payları tolere edilebilir seviyede olması taktirde bir sorun yaratmayacaktır (~%1-3)

Yukarıdaki görselde gördüğünüz gibi haberleşme gerçekleşmesi için ilk önce verici tarafında logic 1 (HIGH) seviyesinde bulunan iletişim hattı iletişimin başlaması için logic 0 (LOW) seviyesine çekilir ve bu Başlangıç Bit’imizi (Start Bit) temsil eder.

Ardından göndermek istediğimiz verileri başlangıç bitinin arkasına ekleriz. Eğer parity bitine sahipsek onu da ekledikten sonra son olarak iletişime sonlandırmak için gerekli olan bitiş bitini (stop bit) HIGH seviyesine çekerek iletişimin sonlandığını alıcıya bildiririz.

Verici kısmında bu işlemleri yaparken alıcı da aynı şekilde işlem yapar ve sadece bizim gönderdiğimiz dataları kendi UART Data Register’ına yazar.

UART-USART Nasıl Kullanılır?

USART haberleşmesi yapabilmek için mikroişlemcimizdeki daha önceden tanımlanmış olan pinleri kullanırız. Bunun için ya USB-TTL dönüştürücü ya da RS232 modülü kullanılabilir. Her iki modülü de RX-TX pinleri mikroişlemcimizin RX-TX pinleri ile ters olarak bağlanacak şekilde bağlantısını yaptıktan sonra iletişimi başlatabiliriz. (Yani mikroişlemci TX —> Modül RX, mikroişlemci RX —> Modül TX)

SPI Protokolü

SPI hakkında detaylı bir şekilde hazırladığımız buradaki içeriğimize bakmanızı öneriyoruz.

Açılımı “Serial Peripheral Interface” olan SPI, tam çift yönlü (full-duplex) bir iletişim protokolüdür. Bu, veri gönderme ve alma işlemlerinin aynı anda gerçekleşebileceği anlamına gelir. İletişim, bir master cihaz ve bir veya daha fazla slavecihaz arasında gerçekleşir.

Master cihaz, iletişim kurmak istediği slave cihazı seçer ve bu seçimi genellikle SPI donanımında bulunan SS (Slave Select) pini aracılığıyla yapar. Master cihaz üzerindeki SS pini, kullanıcı tarafından atanır ve hangi slave cihazın aktif olduğunu belirlemek için kullanılır.

SPI’nin bir diğer önemli özelliği, slave cihazların seçilmesi ve yönetilmesinde esneklik sağlamasıdır. Bu özellik, SPI’yi genellikle I2C’den ayıran temel farklardan biridir.

• SCLK : Serial Clock (output from master). :Senkron seri haberleşmesi için kullanılır. Haberleşme için kare dalga oluşturur. Yani SPI haberleşmesinde senkronu sağlayan saat bulundurur. Saat sinyali master cihaz tarafından üretilir.
• MOSI : Master Output, Slave Input (output from master). Master’ın çıkış Slave’in giriş olduğu  veri yolunu oluşturur.
• MISO : Master Input, Slave Output (output from slave). Master’ın giriş Slave’in çıkış olduğu veri yolunu oluşturur.
• SS : Slave Select (active low, output from master).  Slave select anlamına gelir. Master cihazın Slave cihazları seçmesine yarar. Master’ın SS pinleri kontrol edilecek Slave cihaza göre seçilir ve kullanıcı tarafından belirlenir.

Veri iletimi 8-bit olarak gerçekleşir. CS pinini kullanarak slave seçimini yaptıktan sonra master cihazından göndermek istediğiniz veriyi MOSI pinini Lojik 0 ve Lojik 1 şeklinde binary olarak değiştirerek hatta yazarsınız. Her bir bit için CLK pinini 0 – 1 yapmanız yeterlidir. Aşağıdaki resimde daha net bir şekilde görülmektedir.

İletişimin SPI ile gerçekleşeceğini belirtmek için SPI kütüphanesi mikroişlemciye yüklenmesi gerekir.Kodları yazarken hem master hem de slave cihazlar için ayrı ayrı kod yazılır. SPI iletişim için Arduino da hazır bir kütüphane bulunmaktadır. Ancak bu kütüphane Arduino her zaman master konumda olacağı düşünülerek hazırlanmıştır.

Slave cihaza kod yazılırken SPI kütüphanesinin veri aktarımı için kullanılan registerlarda gerekli değişimler yapılır. Bu registerlar arduino için;

SPDR(SPI Data Register) : Bu register SPI’daki aktarılacak veriyi tutar.

SPSR(SPI Status Register): Bu register SPI durumunu belirtir. Bit kaydırmada aktarılacak veri olup olmadığını kontrol eder.

SPCR(SPI Control Register) : SPI başlangıç ayarlarının yapıldığı registerdır. Master Slave ayarları burada yapılır.

I2C Protokolü

I2C hakkında detaylı bir şekilde hazırladığımız buradaki içeriğimize bakmanızı öneriyoruz.

I2C, yalnızca iki pin kullanarak iletişim kurulmasını sağlayan bir haberleşme protokolüdür. Philips (şu anki adıyla NXP) firması tarafından geliştirilmiştir. Eğer bir entegre veya elektronik bileşen I2C desteğine sahipse, bu protokol ile iletişim kurabilir. Ancak, bir bileşenin (örneğin bir RAM entegresinin) I2C desteği yoksa, bu protokol üzerinden kullanılamaz.

I2C protokolünde, iletişimi yöneten mikrodenetleyicilere “master”, bu denetleyicinin kontrol ettiği diğer bileşenlere ise “slave” adı verilir. Bu yapı, master cihazın birden fazla slave cihazla aynı hat üzerinden iletişim kurmasını sağlar.

I2C Protokolü Kullanım Amacı

I2C protokolü normalde çok fazla pin ayrılması gereken parçaların sadece 2 adet pin kullanılarak sürülmesini amaçlar. I2C protokolünde sadece 2 pin ayrılarak aynı hat üzerine birçok RAM, EEPROM, RTC vb. parça bağlanıp kullanılabilir bu da fazladan pin ihtiyacını ortadan kaldırır. I2C protokolünde hat üzerine başka MCU larda bağlanabilir bunlar gerekli zamanlarda hem master hem slave olarak yerini alabilir.

I2C Protokolü Yapısı

I2C protokolü, basit bir haberleşme yöntemi sunarak veri transferini organize eder. Bu protokolün yapısındaki temel öğeler ve işleyişi şu şekildedir:

İletişim Hatları

I2C protokolü, iki hat üzerinden iletişim sağlar:

• SDA (Serial Data Line): Veri iletim hattı. Master ve slave cihazlar arasındaki veri alışverişini gerçekleştirir.
• SCL (Serial Clock Line): Saat sinyal hattı. Master cihaz tarafından üretilir ve veri iletiminin zamanlamasını kontrol eder.

Master ve Slave Kavramları

• Master: İletişimi başlatan ve kontrol eden cihazdır. SCL hattını kontrol eder ve diğer cihazlara veri gönderir veya onlardan veri talep eder.
• Slave: Master cihazdan gelen talimatlara yanıt verir. Slave cihazlar, belirli bir adres ile tanımlanır.

Veri Çerçevesi (Data Frame)

I2C protokolünde veri transferi belirli bir çerçeve yapısına göre yapılır:

• Başlangıç (Start Condition): Master cihazın iletişimi başlatmak için SDA hattını yüksekten düşük seviyeye çekmesiyle oluşur (SCL hattı yüksekken).
• Slave Adresi: Master, hangi slave cihazla iletişim kuracağını belirten 7 bitlik veya 10 bitlik bir adres gönderir.
• Okuma/Yazma Biti: Slave cihazdan veri okumak veya ona veri yazmak için 1 bitlik bir talimat gönderilir (0 = Yazma, 1 = Okuma).
• Acknowledge (ACK/NACK): Slave cihaz, adresi tanıdığını ve iletişime hazır olduğunu belirtmek için bir onay sinyali gönderir.
• Veri Transferi: 8 bitlik veri gönderimi gerçekleşir. Her byte sonrası bir ACK/NACK sinyali alınır.
• Durdurma (Stop Condition): İletişim, SDA hattının düşükten yüksek seviyeye geçmesiyle sonlandırılır (SCL hattı yüksekken).

Hız Modları

I2C protokolü farklı hız modlarını destekler:

• Standart Mod (Standard Mode): 100 kbps’ye kadar hız.
• Hızlı Mod (Fast Mode): 400 kbps’ye kadar hız.
• Hızlı Mod Plus (Fast Mode Plus): 1 Mbps’ye kadar hız.
• Yüksek Hız Modu (High-Speed Mode): 3.4 Mbps’ye kadar hız.

Çoklu Master Desteği

Bir I2C hattında birden fazla master cihaz bulunabilir. Ancak aynı anda yalnızca bir master aktif olabilir ve çakışmalar arbiter mekanizmasıyla çözülür.

Adresleme

• 7 Bit Adresleme: Çoğu cihaz bu yöntemi kullanır ve en fazla 127 farklı slave cihazı destekler.
• 10 Bit Adresleme: Daha fazla cihaz gerektiğinde kullanılır.

Bu yapısı sayesinde I2C, çoklu cihazlarla basit ve etkili bir şekilde haberleşme sağlar.

I2C Pullup Direnç Seçimi

Kullanılacak dirençler için bir hesaplama yolu bulunsa da burada artık standartlaşmış değerleri vereceğiz,  çünkü doğru hesap yapılabilmesi için I2C protokolüne bağlanacak parçalara giden bakır yolların dirençlerinin vb. hesaplanması gerekmektedir.

Aşağıdaki tablodan kullanılacak hıza uygun pull-up direnç değerleri seçilebilir. I2C protokolü için kullanılacak hattın da çok fazla uzun olmaması gerekmektedir. Bu iletişim protokolü kısa mesafe için uygundur.

RS-232 Protokolü

Açılımı “Recommended Standard 232” olan RS-232, elektronik cihazlar arasında seri veri iletişimini sağlayan bir protokoldür. İlk kez 1960’larda tanıtılan bu standart, özellikle bilgisayarlar ve çevre birimleri (örneğin yazıcılar, modemler) arasında veri transferi için yaygın olarak kullanılmıştır.

RS-232 protokolü, asenkron iletişim yapısını kullanır. Bu, verilerin önceden belirlenmiş bir saat sinyaline ihtiyaç duymadan transfer edilebileceği anlamına gelir. Veri iletimi, başlangıç biti (start bit), veri bitleri, parite biti ve durdurma biti (stop bit) gibi yapı taşlarından oluşur.

RS-232’nin Pin Yapısı ve Sinyal Tanımları

RS-232 protokolü, genellikle 9 pinli (DB9) veya 25 pinli (DB25) konnektörlerle kullanılır. Aşağıda temel pinlerin görevleri açıklanmıştır:

• TxD (Transmit Data): Verinin gönderildiği hattır. Veri kaynağı cihazdan (örneğin bilgisayardan) hedef cihaza veri aktarımı sağlar.
• RxD (Receive Data): Verinin alındığı hattır. Hedef cihazdan gelen veri bu pin üzerinden alınır.
• GND (Ground): Ortak referans hattıdır. Tüm cihazların doğru bir şekilde iletişim kurabilmesi için gereklidir.
• RTS (Request to Send): Veri göndermek için hazır olunduğunu belirten bir sinyaldir.
• CTS (Clear to Send): Karşı cihazın veri alımına hazır olduğunu belirten sinyaldir.
• DSR (Data Set Ready): Cihazın iletişim için hazır olduğunu belirtir.
• DTR (Data Terminal Ready): Terminal cihazının hazır olduğunu ifade eder.

RS-232’nin Temel Özellikleri

1. Bağlantı Mesafesi: RS-232, düşük hızlarda (örneğin 9600 baud) yaklaşık 15 metreye kadar güvenilir bir bağlantı sağlar.
2. Hız: Protokol, genellikle 110 ile 115200 baud arasında değişen veri iletim hızlarını destekler.
3. Asenkron Yapı: Saat sinyali gerekmeden, başlangıç ve durdurma bitleriyle veri iletişimi sağlanır.
4. Güç Seviyeleri: RS-232, voltaj seviyelerini belirlemek için ±12V veya ±15V gibi değerler kullanır (lojik 1 = negatif voltaj, lojik 0 = pozitif voltaj).

RS-232’nin Avantajları

• Basit ve kolay uygulama.
• Yıllardır kullanılan bir protokol olduğundan geniş uyumluluk.
• Uzun mesafeli ve düşük hızda güvenilir iletişim sağlar.

RS-232’nin Dezavantajları

• Düşük veri hızı modern sistemler için yetersizdir.
• Mesafe arttıkça voltaj kaybı nedeniyle güvenilirliği azalır.
• Çoklu cihaz bağlantısını desteklemez (tek bir master-slave yapısı vardır).

Bu protokol, günümüzde daha hızlı ve daha esnek protokollerle (örneğin USB) yer değiştirmiş olsa da, endüstriyel sistemlerde ve eski cihazlarda hala kullanılmaktadır.

CAN Bus (Controller Area Network) Protokolü

Açılımı “Controller Area Network” olan CAN Bus, mikrodenetleyiciler ve cihazlar arasında seri iletişim için kullanılan bir protokoldür. 1980’lerde Bosch tarafından geliştirilen bu protokol, özellikle otomotiv endüstrisinde geniş bir uygulama alanı bulmuştur.

CAN Bus, çoklu cihazların aynı ağ üzerinde iletişim kurmasına izin veren bir yapı sunar. Bu protokol, mesaj tabanlı bir sistemdir ve herhangi bir cihaz, öncelik sırasına göre veri gönderebilir.

CAN Bus’ın Pin Yapısı ve Sinyal Tanımları

CAN Bus protokolü genellikle iki hat kullanır:

• CAN High (CANH): Veri sinyalinin yüksek hattıdır.
• CAN Low (CANL): Veri sinyalinin düşük hattıdır.

Bu iki hat, diferansiyel bir sinyal sistemi oluşturur ve elektromanyetik parazite karşı direnç sağlar.

CAN Bus’ın Temel Özellikleri

1. Hız: 1 Mbps’ye kadar veri hızını destekler.
2. Çoklu Cihaz Desteği: Tek bir ağ üzerinde 120’den fazla cihaz bağlanabilir.
3. Hata Kontrolü: Gelişmiş hata tespit ve düzeltme mekanizmaları sunar.
4. Mesaj Tabanlı İletişim: Veriler, cihaza özel adresler yerine mesaj kimlikleri kullanılarak gönderilir.

CAN Bus’ın Avantajları

• Elektromanyetik parazite karşı dayanıklılık.
• Çoklu cihaz desteği ile esnek bir iletişim yapısı.
• Güçlü hata tespit ve düzeltme mekanizmaları.

CAN Bus’ın Dezavantajları

• Yüksek veri hızı gerektiren uygulamalar için sınırlı bant genişliği.
• Mesaj tabanlı yapı nedeniyle karmaşık sistemlerde yönetim zorluğu.

CAN Bus, otomotiv dışında endüstriyel otomasyon, tıbbi cihazlar ve uçak sistemlerinde de yaygın olarak kullanılmaktadır.

USB (Universal Serial Bus) Protokolü

Açılımı “Universal Serial Bus” olan USB, bilgisayarlar ve çevre birimleri arasında veri iletimi ve güç aktarımı için kullanılan evrensel bir protokoldür. İlk kez 1996 yılında tanıtılan bu protokol, basitliği ve çok yönlülüğü sayesinde hızla yaygınlaşmıştır.

USB’nin Pin Yapısı ve Sinyal Tanımları

USB bağlantıları genellikle 4 pin içerir:

• VCC: Güç sağlayan hattır (genellikle +5V).
• D+ ve D-: Veri iletimi için kullanılan diferansiyel hatlardır.
• GND: Toprak hattıdır.

USB’nin Temel Özellikleri

1. Hız: USB 1.0 (12 Mbps), USB 2.0 (480 Mbps), USB 3.0 (5 Gbps) gibi farklı versiyonlarda hız seçenekleri sunar.
2. Tak ve Çalıştır: Ek bir yapılandırma gerektirmeden cihaz bağlantısını destekler.
3. Güç Aktarımı: USB, cihazlara güç sağlamak için de kullanılabilir (örneğin, 5V ve 900mA).

USB’nin Avantajları

• Kolay kullanım ve geniş uyumluluk.
• Hem veri iletimi hem de güç aktarımı sağlar.
• Yüksek hız seçenekleriyle modern sistemler için uygundur.

USB’nin Dezavantajları

• Kısa mesafeli iletişimle sınırlıdır (genellikle 5 metreye kadar).
• Birden fazla cihaz bağlandığında veri yolu tıkanıklığı yaşanabilir.

USB, günümüzde bilgisayarlar, akıllı telefonlar, depolama cihazları ve birçok elektronik cihazda standart bir bağlantı protokolü olarak kullanılmaktadır.

Modbus Protokolü

1979 yılında Schneider Electric tarafından geliştirilen Modbus, endüstriyel cihazlar arasında veri iletimini sağlayan bir protokoldür. Modbus, genellikle PLC’ler, sensörler ve HMI’ler gibi cihazlar arasında iletişim için kullanılır.

Modbus’ın Çalışma Modları

1. Modbus RTU (Remote Terminal Unit): Seri iletişim (RS-232/RS-485) üzerinden çalışır ve verileri ikili formatta iletir.
2. Modbus ASCII: Verileri ASCII formatında iletir ve okunabilirlik sağlar.
3. Modbus TCP/IP: Ethernet üzerinden iletişim kurmak için tasarlanmıştır.

Modbus’ın Temel Özellikleri

1. Adresleme: Her cihazın bir adresi vardır ve bu adres üzerinden iletişim kurulur.
2. Bağlantı Tipleri: Master-slave yapısını kullanır; master cihaz, iletişimi kontrol eder.
3. Desteklenen Komutlar: Okuma, yazma ve hata kontrolü gibi işlemleri içerir.

Modbus’ın Avantajları

• Basit ve anlaşılır bir yapı.
• Seri ve Ethernet bağlantılarını destekler.
• Endüstriyel uygulamalarda geniş uyumluluk.

Modbus’ın Dezavantajları

• Güvenlik özelliklerinin sınırlı olması.
• Yüksek hızlı veri iletimi gerektiren uygulamalarda yetersiz kalabilir.

Modbus, endüstriyel otomasyon sistemlerinde cihazlar arasında iletişim sağlamak için hala yaygın olarak kullanılmaktadır.

Seri Haberleşme Protokollerinin Güvenliği

Seri haberleşme protokollerinin güvenliği, veri iletiminin gizliliğini ve bütünlüğünü sağlamak için önemlidir. Seri iletimde veri şifreleme, kimlik doğrulama ve hata kontrolü gibi güvenlik önlemleri uygulanabilir.

• Kriptografi: Veriler, AES veya RSA gibi algoritmalarla şifrelenebilir.
• Kimlik Doğrulama: Verilerin yalnızca yetkilendirilmiş cihazlar tarafından gönderilip alındığı doğrulanabilir.
• Hata Kontrolü: Hata tespiti ve düzeltme mekanizmaları ile veri bütünlüğü sağlanabilir.

Seri Haberleşme Protokollerinin Uygulamaları

Seri haberleşme protokolleri, geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılır:

• IoT ve Akıllı Ev Sistemleri: Veri iletimi için seri protokoller kullanılır.
• Otomotiv ve Endüstriyel Uygulamalar: CAN Bus, araç içi ve endüstriyel sistemlerde yaygın olarak kullanılır.
• Robotik ve Sensör Sistemleri: SPI ve I2C gibi protokoller, robotik sistemler ve sensörlerle haberleşmek için tercih edilir.

Sonuç

Seri haberleşme protokolleri, cihazlar arasında veri iletimini sağlayan temel teknolojilerdir. Her protokol, belirli bir uygulama için optimize edilmiştir ve farklı hız, mesafe, güvenlik ve donanım gereksinimlerine göre seçilebilir. Bu protokoller, modern elektronik cihazlarda, endüstriyel sistemlerde ve IoT uygulamalarında kritik bir rol oynamaktadır.