RS-422 vs. RS-485: Differentielle serielle Schnittstellen im Vergleich

RS-422 und RS-485 sind beides differentielle serielle Standards, und beide sind noch in Industrieanlagen, Lichtsteuerung, Gebäudesystemen und älterer Laborausrüstung zu finden. Der entscheidende Unterschied ist die Topologie: RS-422 ist ein Treiber, der bis zu zehn Empfänger speist, Punkt-zu-Punkt oder Punkt-zu-Mehrpunkt, während RS-485 ein echter Mehrpunktbus ist, bei dem bis zu 32 Unit Loads ein Paar gemeinsam nutzen und abwechselnd senden. Wenn Sie zwei Geräte über eine lange Strecke verbinden, kann beides funktionieren; wenn Sie mehrere Geräte an ein Kabel anschließen, wollen Sie RS-485.

Beide Standards sind von EIA/TIA definiert, und beide nutzen dieselbe Idee: Statt einer gegen Masse gemessenen Leitung ist das Signal die Spannungsdifferenz zwischen zwei Leitungen, A und B. Rauschen, das auf das Kabel einkoppelt, erscheint tendenziell auf beiden Leitungen gleichermaßen, sodass die Differenz am Empfänger sauber bleibt. Deshalb erreichen diese Standards weit mehr als die 15 m (50 ft), die die single-ended RS-232 seriellen Pinbelegungen zulassen.

RS-422 und RS-485 im direkten Vergleich

RS-422 ist der einfachere der beiden. Ein Treiber, bis zu zehn Empfänger, und da es normalerweise zwei Twisted-Pairs verwendet, kann es Vollduplex betreiben: Daten fließen in beide Richtungen gleichzeitig. Es ist die natürliche Wahl für eine Verbindung zwischen zwei Geräten über ein langes Kabel, beispielsweise ein Controller, der mit einem entfernten Display oder einem Bewegungsencoder spricht.

RS-485 behält die differentielle Signalübertragung bei, fügt aber die Möglichkeit hinzu, viele Geräte an ein Paar anzuschließen. Der Standard zählt 32 Unit Loads an einem Bus; ein Unit Load ist eine definierte Eingangsimpedanz, und Transceiver, die mit einem Bruchteil eines Unit Load bewertet sind, ermöglichen es, diese Anzahl zu überschreiten. Geräte teilen sich das Paar und senden abwechselnd, weshalb RS-485 normalerweise Halbduplex auf zwei Drähten ist. Vier-Draht-RS-485 bietet Vollduplex an einem Mehrpunktbus, wobei ein Master auf einem Paar sendet und die Slaves auf dem anderen antworten.

Distanz und Geschwindigkeit

Beide Standards erreichen 1200 m (4000 ft) bei niedrigeren Geschwindigkeiten, und beide erreichen 10 Mbps bei kurzen Distanzen. Die beiden Werte sind nicht gleichzeitig verfügbar: Mit steigender Datenrate sinkt die nutzbare Kabellänge. Eine 10-Mbps-Verbindung ist eine kurze Bank- oder Schaltschrankstrecke; eine lange Strecke über ein Gelände läuft mit einer bescheidenen Baudrate. Das Limit wird durch die Anstiegszeit des Signals und durch das Kabel bestimmt, nicht allein durch den Treiber.

Verwenden Sie Twisted-Pair für die A- und B-Leiter. Ein dritter Leiter für Signalmasse ist übliche Praxis, obwohl das Signal selbst differentiell ist, weil die beiden Enden immer noch eine gemeinsame Referenz innerhalb des Bereichs benötigen, den die Transceiver akzeptieren. Bei langen Strecken zwischen Gebäuden können Unterschiede im Erdpotential diesen Bereich überschreiten, und ein isolierter Repeater oder eine Glasfaserverbindung ist die Antwort, nicht ein schwererer Erdungsdraht.

RS-232 vs. RS-485 in der Praxis

Der praktische Unterschied zwischen RS-232 und RS-485 sind nicht die Spannungspegel, sondern die Topologie und die Reichweite. RS-232 ist single-ended, ein Treiber zu einem Empfänger, und der Standard erlaubt 15 m (50 ft) bei 19.200 Baud, wobei niedrigere Baudraten weiter reichen. RS-485 ist differentiell, erreicht 1200 m (4000 ft) und bringt viele Geräte an ein Kabel.

Deshalb verwendet so viel Industrieausrüstung RS-485 und so viel Bankausrüstung RS-232. Ein Modbus-RTU-Netzwerk ist RS-485: Ein Master fragt eine Kette von Zählern, Antrieben oder SPSen an einem einzigen Twisted-Pair ab. Ein Laptop, der sich mit einem Router-Konsolenport verbindet, ist RS-232. Die beiden sind auf elektrischer Ebene nicht austauschbar, und einen RS-232-Port direkt an einen RS-485-Bus anzuschließen funktioniert nicht und kann den Transceiver beschädigen. Ein Konverter ist erforderlich, und der Konverter muss die Richtungssteuerung unterstützen, die der Bus erwartet.

Modbus-RS-485-Verdrahtung

Modbus RTU über RS-485 ist der häufigste Ort, an dem Menschen diesem Standard begegnen, und die meisten Ausfälle sind Verdrahtungsfehler, nicht Protokollfehler.

• Daisy-Chain, kein Stern. Der Bus verläuft von Gerät zu Gerät. Ein Stern, bei dem mehrere Kabel an einem Punkt zusammentreffen, erzeugt Stichleitungen, die das Signal reflektieren. Halten Sie jede Stichleitung kurz.
• A und B müssen konsistent sein. Hersteller beschriften das Paar unterschiedlich, manchmal A und B, manchmal D+ und D-, manchmal Plus und Minus. Wenn der Bus nicht antwortet, ist das Vertauschen des Paares an einem Ende der erste Versuch.
• Beide Enden abschließen. Ein 120-Ohm-Widerstand über A und B an jedem physischen Ende des Busses, und nur dort. Geräte in der Busmitte werden nicht abgeschlossen.
• Bias, wenn der Bus floatet. Wenn kein Treiber aktiv ist, kann ein abgeschlossener Bus auf einem unbestimmten Pegel liegen, und der Empfänger kann Rauschen als Daten lesen. Bias-Widerstände an einer Stelle halten den Ruhezustand.
• Masse und Schirm. Führen Sie die Signalmasse mit dem Paar, und verbinden Sie den Schirm an einem Ende, um eine Masseschleife zu vermeiden.

Abschluss und die 120-Ohm-Regel

RS-485-Abschluss ist ein 120-Ohm-Widerstand über die beiden Signalleitungen an jedem Ende des Busses. Der Wert entspricht der charakteristischen Impedanz des Twisted-Pair, sodass er das Signal absorbiert, anstatt es zurück das Kabel hinunter zu reflektieren. Reflexionen erreichen den Empfänger als zusätzliche Flanken und verfälschen Daten, und der Effekt wird schlimmer, je länger das Kabel und je höher die Datenrate wird.

Zwei Fehler sind häufig. Der erste ist, Abschlusswiderstände an jedem Gerät am Bus anzubringen: Mit mehreren 120-Ohm-Widerständen parallel wird der Bus überlastet und der Signalpegel sinkt. Der zweite ist, gar keine anzubringen: Kurze Bankverbindungen funktionieren oft, versagen dann, sobald das Kabel verlängert wird. Schließen Sie die beiden physischen Enden ab und nichts dazwischen.

RS-422 verwendet denselben 120-Ohm-Wert, aber da es normalerweise ein einzelnes Treiber- und Empfängerpaar ist, kommt der Abschlusswiderstand an das ferne Ende des Empfangspaares. Einige kurze RS-422-Verbindungen laufen ohne Abschluss; je länger das Kabel, desto wichtiger wird er.

Steckverbinder und Pinbelegungen

Keiner der Standards legt einen Steckverbinder fest. RS-422 und RS-485 erscheinen auf DE-9-Steckern, Klemmenblöcken, RJ45-Buchsen, 5-poligen Rundsteckverbindern und proprietären Steckern, und die Pinbelegung wird vom Gerätehersteller festgelegt, nicht vom Standard. Lesen Sie das Handbuch für das Gerät, das vor Ihnen steht.

Wo ein DE-9 verwendet wird, legt eine übliche RS-485-Anordnung das Paar auf die Pins 1 und 2 oder auf die Pins 3 und 8, mit Masse auf Pin 5, aber dies ist eine Konvention und keine Regel. Auf Klemmenblöcken ist das Paar normalerweise mit A und B oder D+ und D- gekennzeichnet, mit einer separaten Masseklemme. Auf RJ45 verwendet die DMX512-Lichtsteuerung die Pins 1 und 2 für das Datenpaar und die Pins 7 und 8 für ein zweites Paar, ebenfalls konventionsgemäß.

Da die Pinbelegung nicht standardisiert ist, funktioniert ein Kabel, das zwischen zwei Geräten einer Marke funktioniert, möglicherweise nicht zwischen zwei Geräten einer anderen. Beschriften Sie beide Enden und notieren Sie die verwendete Pinbelegung.

Einen PC an einen RS-485-Bus anschließen

Die meisten Computer haben keinen seriellen Port mehr, daher ist die Verbindung normalerweise ein USB-Adapter. Ein USB-zu-RS-485-Adapter enthält einen Konverter-Chip und einen Transceiver und benötigt den richtigen Treiber. Die Fallstricke sind dieselben wie bei anderen seriellen Adaptern: Gefälschte Konverter-Chips können von den Treibern des Originalherstellers blockiert werden, und ein Adapter mit TTL-Ausgang ist überhaupt keine RS-485-Schnittstelle. Es gelten dieselben Regeln wie für USB-zu-Seriell-Adapter im Allgemeinen, mit dem zusätzlichen Punkt, dass ein RS-485-Adapter die Senderichtungssteuerung handhaben muss, entweder automatisch oder über eine Handshake-Leitung.

Was schiefgeht

• Standards mischen. RS-232, RS-422 und RS-485 sind nicht austauschbar. Einen RS-232-Port in einen RS-485-Bus einzuspeisen oder umgekehrt kann den Transceiver auf der Niederspannungsseite beschädigen. Verwenden Sie einen ordnungsgemäßen Konverter.
• HVD an einem Niederspannungsbus. Hochspannungs-Differentialgeräte dürfen niemals an einen single-ended oder Niederspannungs-Differentialbus angeschlossen werden. Die Fehlanpassung kann die Transceiver zerstören.
• Sternverdrahtung. Ein Bus ist eine Kette. Abzweigungen und Stichleitungen verursachen Reflexionen, die als intermittierende Fehler auftreten, oft nur bei langen Kabeln oder höheren Baudraten.
• Falscher Abschluss. Abschlusswiderstände an jedem Gerät überlasten den Bus; keine Abschlusswiderstände an den Enden lassen Reflexionen zu. Beides erzeugt Fehler, die wie Protokollfehler aussehen.
• A und B vertauscht. Der Bus ist stumm. Tauschen Sie das Paar an einem Ende.
• Keine Masse-Referenz. Das differentielle Paar benötigt immer noch eine gemeinsame Referenz innerhalb des Bereichs des Transceivers. Ohne sie versagen lange Strecken zwischen Gebäuden, und Erdpotentialunterschiede können die Ports beschädigen.
• Nicht verdrilltes Kabel. Parallele Leiter nehmen Rauschen auf jeder Leitung unterschiedlich auf, was den ganzen Sinn der differentiellen Signalübertragung zunichtemacht. Verwenden Sie Twisted-Pair.
• Zu viele Unit Loads. Mehr als 32 Standard-Unit-Loads an einem Bus oder eine Mischung aus vollen und fraktionalen Lasten, die die Grenze überschreitet, überlastet die Treiber.

Auswahl zwischen ihnen

Für eine Verbindung zwischen zwei Geräten über ein langes Kabel ist RS-422 die einfache Antwort: ein Treiber, bis zu zehn Empfänger, Vollduplex auf zwei Paaren, am fernen Ende abgeschlossen. Für ein Netzwerk von Geräten an einem Kabel ist RS-485 die Antwort: ein Daisy-Chain-Twisted-Pair, 120-Ohm-Abschlusswiderstände an beiden Enden, eine Signalmasse und ein Protokoll wie Modbus RTU oder DMX512, um den Verkehr geordnet zu halten. Beide erreichen 1200 m (4000 ft) bei niedrigeren Geschwindigkeiten und 10 Mbps bei kurzen Distanzen, und beide hängen weit mehr von korrekter Verdrahtung ab als von den Transceivern selbst.