RS-422 vs RS-485: differentiële seriële verbindingen vergeleken

RS-422 en RS-485 zijn beide differentiële seriële standaarden, en beide komen nog steeds voor in industriële apparatuur, verlichtingsregeling, gebouwbeheersystemen en oudere laboratoriumapparatuur. Het verschil dat ertoe doet is de topologie: RS-422 is één driver die maximaal tien ontvangers aanstuurt, point-to-point of point-to-multipoint, terwijl RS-485 een echte multipoint-bus is waar maximaal 32 unit loads één paar delen en om de beurt zenden. Als u twee apparaten over een lange afstand verbindt, kan elk van beide werken; als u meerdere apparaten op één kabel zet, wilt u RS-485.

Beide standaarden zijn gedefinieerd door EIA/TIA, en beide gebruiken hetzelfde idee: in plaats van één draad gemeten tegen aarde, is het signaal het spanningsverschil tussen twee draden, A en B. Ruis die op de kabel wordt geïnduceerd, verschijnt doorgaans gelijkelijk op beide draden, zodat het verschil bij de ontvanger schoon blijft. Daarom reiken deze standaarden veel verder dan de 15 m (50 ft) die de single-ended RS-232 seriële pinouts toestaan.

RS-422 en RS-485 naast elkaar

RS-422 is de eenvoudigste van de twee. Eén driver, tot tien ontvangers, en omdat het normaal twee twisted pairs gebruikt, kan het full duplex werken: data stroomt beide kanten op tegelijk. Het is de natuurlijke keuze voor een verbinding tussen twee apparaten over een lange kabel, zoals een controller die met een extern display of een motion encoder praat.

RS-485 behoudt de differentiële signalering maar voegt de mogelijkheid toe om veel apparaten op één paar te zetten. De standaard rekent met 32 unit loads op een bus; een unit load is een gedefinieerde ingangsimpedantie, en transceivers met een fractie van een unit load laten u dat aantal overschrijden. Apparaten delen het paar en zenden om de beurt, daarom is RS-485 meestal half duplex op twee draden. Vierdraads RS-485 geeft full duplex op een multipoint-bus, met één master die op het ene paar zendt en de slaves die op het andere antwoorden.

Afstand en snelheid

Beide standaarden halen 1200 m (4000 ft) bij lagere snelheden, en beide halen 10 Mbps bij korte afstanden. De twee cijfers zijn niet tegelijk beschikbaar: naarmate de datasnelheid stijgt, daalt de bruikbare kabellengte. Een 10 Mbps-verbinding is een korte werkbank- of kastrun; een lange run over een terrein werkt op een bescheiden baudrate. De limiet wordt bepaald door de stijgtijd van het signaal en door de kabel, niet alleen door de driver.

Gebruik twisted pair voor de A- en B-geleiders. Een derde geleider voor signaalgro nd is normale praktijk, ook al is het signaal zelf differentieel, omdat de twee uiteinden nog steeds een gemeenschappelijke referentie nodig hebben binnen het bereik dat de transceivers accepteren. Bij lange runs tussen gebouwen kunnen verschillen in aardpotentiaal dat bereik overschrijden, en een geïsoleerde repeater of een glasvezelverbinding is het antwoord, niet een zwaardere aarddraad.

RS-232 vs RS-485 in de praktijk

Het praktische verschil tussen RS-232 en RS-485 is niet de spanningsniveaus maar de topologie en het bereik. RS-232 is single-ended, één driver naar één ontvanger, en de standaard staat 15 m (50 ft) bij 19.200 baud toe, met lagere baudrates die verder reiken. RS-485 is differentieel, haalt 1200 m (4000 ft), en zet veel apparaten op één kabel.

Daarom gebruikt zoveel industriële apparatuur RS-485 en zoveel werkbankapparatuur RS-232. Een Modbus RTU-netwerk is RS-485: één master pollt een keten van meters, drives of PLC’s op één twisted pair. Een laptop die verbinding maakt met een consolepoort van een router is RS-232. De twee zijn op elektrisch niveau niet uitwisselbaar, en een RS-232-poort rechtstreeks op een RS-485-bus aansluiten werkt niet en kan de transceiver beschadigen. Er is een converter nodig, en de converter moet overeenkomen met de richtingsbesturing die de bus verwacht.

Modbus RS-485-bedrading

Modbus RTU over RS-485 is de meest voorkomende plek waar mensen deze standaard tegenkomen, en de meeste storingen zijn bedradingsfouten, geen protocolfouten.

• Daisy chain, geen ster. De bus loopt van apparaat naar apparaat. Een ster, waarbij meerdere kabels op één punt samenkomen, creëert stubs die het signaal reflecteren. Houd elke stub kort.
• A en B moeten consistent zijn. Fabrikanten labelen het paar verschillend, soms A en B, soms D+ en D-, soms plus en min. Als de bus niet reageert, is het omwisselen van het paar aan één uiteinde het eerste dat u moet proberen.
• Termineer beide uiteinden. Een weerstand van 120 ohm over A en B aan elk fysiek uiteinde van de bus, en alleen daar. Apparaten midden op de bus worden niet getermineerd.
• Bias als de bus zweeft. Wanneer geen driver actief is, kan een getermineerde bus op een onbepaald niveau blijven staan en kan de ontvanger ruis als data lezen. Bias-weerstanden op één punt houden de rusttoestand vast.
• Aarde en afscherming. Voer de signaalgro nd mee met het paar, en sluit de afscherming aan één uiteinde aan om een aardlus te voorkomen.

Terminatie en de 120 ohm-regel

RS-485-terminatie is een weerstand van 120 ohm over de twee signaaldraden aan elk uiteinde van de bus. De waarde komt overeen met de karakteristieke impedantie van het twisted pair, zodat deze het signaal absorbeert in plaats van het terug te laten reflecteren door de kabel. Reflecties komen bij de ontvanger aan als extra flanken en corrumperen data, en het effect wordt erger naarmate de kabel langer wordt en de datasnelheid stijgt.

Twee fouten komen veel voor. De eerste is terminators bij elk apparaat op de bus plaatsen: met meerdere weerstanden van 120 ohm parallel wordt de bus overbelast en daalt het signaalniveau. De tweede is er helemaal geen plaatsen: korte werkbankverbindingen werken vaak, en falen zodra de kabel wordt verlengd. Termineer de twee fysieke uiteinden en niets daartussen.

RS-422 gebruikt dezelfde waarde van 120 ohm, maar omdat het normaal een enkel driver- en ontvangerpaar is, gaat de terminator aan het verre uiteinde van het ontvangende paar. Sommige korte RS-422-verbindingen werken zonder terminatie; hoe langer de kabel, hoe meer het uitmaakt.

Connectoren en pinouts

Geen van beide standaarden legt een connector vast. RS-422 en RS-485 verschijnen op DE-9-connectoren, klemmenblokken, RJ45-jacks, 5-polige ronde connectoren en propriëtaire pluggen, en de pinout wordt bepaald door de fabrikant van de apparatuur, niet door de standaard. Lees de handleiding van het apparaat dat voor u staat.

Waar een DE-9 wordt gebruikt, plaatst een gangbare RS-485-opstelling het paar op pinnen 1 en 2 of op pinnen 3 en 8, met aarde op pin 5, maar dit is een conventie, geen regel. Op klemmenblokken is het paar meestal gemarkeerd als A en B of D+ en D-, met een aparte aardklem. Op RJ45 gebruikt DMX512-verlichtingsregeling pinnen 1 en 2 voor het datapaar en pinnen 7 en 8 voor een tweede paar, ook weer volgens conventie.

Omdat de pinout niet gestandaardiseerd is, werkt een kabel die tussen twee apparaten van één merk werkt mogelijk niet tussen twee van een ander merk. Label beide uiteinden en houd de gebruikte pinout bij.

Een pc op een RS-485-bus krijgen

De meeste computers hebben geen seriële poort meer, dus de verbinding is meestal een USB-adapter. Een USB-naar-RS-485-adapter bevat een converterchip en een transceiver, en heeft de juiste driver nodig. De valkuilen zijn dezelfde als bij andere seriële adapters: nagemaakte converterchips kunnen worden geblokkeerd door de drivers van de echte fabrikant, en een adapter met TTL-uitgang is helemaal geen RS-485-interface. Dezelfde regels gelden als voor USB naar seriële adapters in het algemeen, met als extra punt dat een RS-485-adapter de richtingsbesturing van de zendrichting moet afhandelen, automatisch of via een handshake-lijn.

Wat er misgaat

• Standaarden mengen. RS-232, RS-422 en RS-485 zijn niet uitwisselbaar. Een RS-232-poort op een RS-485-bus voeden, of omgekeerd, kan de transceiver aan de laagspanningszijde beschadigen. Gebruik een goede converter.
• HVD op een laagspanningsbus. Hoogspanningsdifferentiële apparaten mogen nooit worden aangesloten op een single-ended of laagspanningsdifferentiële bus. De mismatch kan de transceivers vernietigen.
• Sterbedrading. Een bus is een keten. Vertakkingen en stubs veroorzaken reflecties die zich uiten als intermitterende fouten, vaak alleen op lange kabels of bij hogere baudrates.
• Verkeerde terminatie. Terminators bij elk apparaat overbelasten de bus; geen terminators aan de uiteinden laten reflecties toe. Beide produceren fouten die op protocolfouten lijken.
• A en B verwisseld. De bus is stil. Wissel het paar aan één uiteinde om.
• Geen aardreferentie. Het differentiële paar heeft nog steeds een gemeenschappelijke referentie nodig binnen het bereik van de transceiver. Zonder deze falen lange runs tussen gebouwen, en aardpotentiaalverschillen kunnen de poorten beschadigen.
• Niet-getwiste kabel. Parallelle geleiders pikken ruis anders op per draad, wat het hele doel van differentiële signalering tenietdoet. Gebruik twisted pair.
• Te veel unit loads. Meer dan 32 standaard unit loads op één bus, of een mix van volledige en fractionele loads die boven de limiet uitkomt, overbelast de drivers.

Kiezen tussen beide

Voor een verbinding tussen twee apparaten over een lange kabel is RS-422 het eenvoudige antwoord: één driver, tot tien ontvangers, full duplex op twee paren, getermineerd aan het verre uiteinde. Voor een netwerk van apparaten op één kabel is RS-485 het antwoord: een daisy-chained twisted pair, 120 ohm terminators aan beide uiteinden, een signaalgro nd, en een protocol zoals Modbus RTU of DMX512 om het verkeer ordelijk te houden. Beide halen 1200 m (4000 ft) bij lagere snelheden en 10 Mbps bij korte afstanden, en beide zijn veel meer afhankelijk van correcte bedrading dan van de transceivers zelf.