RS-422 vs RS-485: confronto seriale differenziale

RS-422 e RS-485 sono entrambi standard seriali differenziali, e entrambi si trovano ancora in apparecchiature industriali, controllo luci, sistemi per edifici e vecchie attrezzature da laboratorio. La differenza che conta è la topologia: RS-422 è un driver che alimenta fino a dieci ricevitori, punto-punto o punto-multipunto, mentre RS-485 è un vero bus multipunto in cui fino a 32 unit load condividono una coppia e si alternano nella trasmissione. Se stai collegando due dispositivi su una lunga tratta, entrambi possono funzionare; se stai mettendo diversi dispositivi su un solo cavo, vuoi RS-485.

Entrambi gli standard sono definiti da EIA/TIA, e entrambi usano la stessa idea: invece di un filo misurato rispetto a massa, il segnale è la differenza di tensione tra due fili, A e B. Il rumore che si accoppia sul cavo tende a comparire su entrambi i fili in modo uguale, quindi la differenza al ricevitore rimane pulita. Ecco perché questi standard raggiungono molto più dei 15 m (50 ft) consentiti dal single-ended RS-232 serial pinouts.

RS-422 e RS-485 a confronto

RS-422 è il più semplice dei due. Un driver, fino a dieci ricevitori, e poiché normalmente usa due doppini intrecciati può funzionare in full duplex: i dati fluiscono in entrambe le direzioni contemporaneamente. È la scelta naturale per un collegamento tra due apparecchiature su un cavo lungo, come un controllore che parla con un display remoto o un encoder di movimento.

RS-485 mantiene la segnalazione differenziale ma aggiunge la capacità di mettere molti dispositivi su una coppia. Lo standard conta 32 unit load su un bus; un unit load è un’impedenza di ingresso definita, e transceiver classificati per una frazione di unit load permettono di superare quel conteggio. I dispositivi condividono la coppia e si alternano, motivo per cui RS-485 è di solito half duplex su due fili. RS-485 a quattro fili offre full duplex su un bus multipunto, con un master che trasmette su una coppia e gli slave che rispondono sull’altra.

Distanza e velocità

Entrambi gli standard raggiungono 1200 m (4000 ft) a basse velocità, ed entrambi raggiungono 10 Mbps a distanze brevi. Le due cifre non sono disponibili contemporaneamente: all’aumentare della velocità di trasmissione, la lunghezza utilizzabile del cavo diminuisce. Un collegamento a 10 Mbps è una breve tratta da banco o da quadro; una lunga tratta attraverso un sito funziona a un baud rate modesto. Il limite è fissato dal tempo di salita del segnale e dal cavo, non solo dal driver.

Usa doppino intrecciato per i conduttori A e B. Un terzo conduttore per la massa di segnale è prassi normale anche se il segnale stesso è differenziale, perché le due estremità hanno comunque bisogno di un riferimento comune entro il range accettato dai transceiver. Su lunghe tratte tra edifici, le differenze di potenziale di terra possono superare quel range, e un ripetitore isolato o un collegamento in fibra è la risposta, non un filo di terra più pesante.

RS-232 vs RS-485 in pratica

La differenza pratica tra RS-232 e RS-485 non sono i livelli di tensione ma la topologia e la portata. RS-232 è single-ended, un driver verso un ricevitore, e lo standard consente 15 m (50 ft) a 19.200 baud, con baud rate inferiori che arrivano più lontano. RS-485 è differenziale, raggiunge 1200 m (4000 ft) e mette molti dispositivi su un solo cavo.

Ecco perché tanta apparecchiatura industriale usa RS-485 e tanta attrezzatura da banco usa RS-232. Una rete Modbus RTU è RS-485: un master interroga una catena di contatori, azionamenti o PLC su un singolo doppino intrecciato. Un laptop collegato alla porta console di un router è RS-232. I due non sono intercambiabili a livello elettrico, e collegare una porta RS-232 direttamente a un bus RS-485 non funzionerà e può danneggiare il transceiver. Serve un convertitore, e il convertitore deve corrispondere al controllo di direzione previsto dal bus.

Cablaggio Modbus RS-485

Modbus RTU su RS-485 è il luogo più comune in cui si incontra questo standard, e la maggior parte dei guasti sono guasti di cablaggio, non di protocollo.

• Margherita, non stella. Il bus va da dispositivo a dispositivo. Una stella, in cui diversi cavi si incontrano in un punto, crea stub che riflettono il segnale. Mantieni corto qualsiasi stub.
• A e B devono essere coerenti. I produttori etichettano la coppia in modo diverso, a volte A e B, a volte D+ e D-, a volte più e meno. Se il bus non risponde, scambiare la coppia a un’estremità è la prima cosa da provare.
• Termina entrambe le estremità. Una resistenza da 120 ohm tra A e B a ciascuna estremità fisica del bus, e solo lì. I dispositivi a metà bus non sono terminati.
• Bias se il bus fluttua. Quando nessun driver è attivo, un bus terminato può trovarsi a un livello indeterminato e il ricevitore può leggere il rumore come dati. Le resistenze di bias in un punto mantengono lo stato di riposo.
• Massa e schermo. Porta la massa di segnale con la coppia, e collega lo schermo a un’estremità per evitare un loop di massa.

Terminazione e la regola dei 120 ohm

La terminazione RS-485 è una resistenza da 120 ohm tra i due fili di segnale a ciascuna estremità del bus. Il valore corrisponde all’impedenza caratteristica del doppino intrecciato, quindi assorbe il segnale invece di lasciarlo riflettere lungo il cavo. Le riflessioni arrivano al ricevitore come fronti aggiuntivi e corrompono i dati, e l’effetto peggiora all’allungarsi del cavo e all’aumentare della velocità dati.

Due errori sono comuni. Il primo è montare terminatori su ogni dispositivo del bus: con diverse resistenze da 120 ohm in parallelo il bus è sovraccarico e il livello del segnale cala. Il secondo è non montarne nessuno: i collegamenti brevi da banco spesso funzionano, poi falliscono una volta esteso il cavo. Termina le due estremità fisiche e nient’altro in mezzo.

RS-422 usa lo stesso valore di 120 ohm, ma poiché normalmente è una singola coppia driver-ricevitore, il terminatore va all’estremità lontana della coppia ricevente. Alcuni collegamenti RS-422 brevi funzionano senza terminazione; più lungo è il cavo, più conta.

Connettori e pinout

Nessuno dei due standard fissa un connettore. RS-422 e RS-485 compaiono su connettori DE-9, morsettiere, prese RJ45, connettori circolari a 5 pin e spine proprietarie, e il pinout è stabilito dal costruttore dell’apparecchiatura, non dallo standard. Leggi il manuale del dispositivo che hai davanti.

Dove si usa un DE-9, una disposizione comune per RS-485 mette la coppia sui pin 1 e 2 o sui pin 3 e 8, con la massa sul pin 5, ma questa è una convenzione, non una regola. Sulle morsettiere la coppia è di solito marcata A e B o D+ e D-, con un morsetto di massa separato. Su RJ45, il controllo luci DMX512 usa i pin 1 e 2 per la coppia dati e i pin 7 e 8 per una seconda coppia, sempre per convenzione.

Poiché il pinout non è standardizzato, un cavo che funziona tra due dispositivi di una marca può non funzionare tra due di un’altra. Etichetta entrambe le estremità e tieni nota del pinout usato.

Portare un PC su un bus RS-485

La maggior parte dei computer non ha più una porta seriale, quindi il collegamento è di solito un adattatore USB. Un adattatore USB-RS-485 contiene un chip convertitore e un transceiver, e richiede il driver giusto. Le insidie sono le stesse degli altri adattatori seriali: i chip convertitori contraffatti possono essere bloccati dai driver del produttore originale, e un adattatore con uscita TTL non è affatto un’interfaccia RS-485. Valgono le stesse regole degli USB to serial adapters in generale, con l’aggiunta che un adattatore RS-485 deve gestire il controllo della direzione di trasmissione, automaticamente o tramite una linea di handshake.

Cosa va storto

• Mescolare gli standard. RS-232, RS-422 e RS-485 non sono intercambiabili. Alimentare una porta RS-232 in un bus RS-485, o il contrario, può danneggiare il transceiver sul lato a bassa tensione. Usa un convertitore adatto.
• HVD su un bus a bassa tensione. I dispositivi differenziali ad alta tensione non devono mai essere collegati a un bus single-ended o differenziale a bassa tensione. Il disadattamento può distruggere i transceiver.
• Cablaggio a stella. Un bus è una catena. Diramazioni e stub causano riflessioni che si manifestano come errori intermittenti, spesso solo su cavi lunghi o a baud rate più elevati.
• Terminazione sbagliata. Terminatori su ogni dispositivo sovraccaricano il bus; nessun terminatore alle estremità lascia riflessioni. Entrambi producono errori che sembrano guasti di protocollo.
• A e B invertiti. Il bus è silenzioso. Scambia la coppia a un’estremità.
• Nessun riferimento di massa. La coppia differenziale ha comunque bisogno di un riferimento comune entro il range del transceiver. Senza di esso, le lunghe tratte tra edifici falliscono, e le differenze di potenziale di terra possono danneggiare le porte.
• Cavo non intrecciato. I conduttori paralleli captano il rumore in modo diverso su ciascun filo, il che annulla lo scopo della segnalazione differenziale. Usa doppino intrecciato.
• Troppi unit load. Più di 32 unit load standard su un bus, o una miscela di carichi interi e frazionari che supera il limite, sovraccarica i driver.

Scegliere tra i due

Per un collegamento tra due dispositivi su un cavo lungo, RS-422 è la risposta diretta: un driver, fino a dieci ricevitori, full duplex su due coppie, terminato all’estremità lontana. Per una rete di dispositivi su un cavo, RS-485 è la risposta: un doppino intrecciato a margherita, terminatori da 120 ohm a entrambe le estremità, una massa di segnale e un protocollo come Modbus RTU o DMX512 per mantenere il traffico ordinato. Entrambi raggiungono 1200 m (4000 ft) a basse velocità e 10 Mbps a distanze brevi, ed entrambi dipendono molto più da un cablaggio corretto che dai transceiver stessi.