RS-422 vs RS-485: Differentiell seriell jämförelse

RS-422 och RS-485 är båda differentiella seriella standarder, och båda finns fortfarande i industriell utrustning, belysningsstyrning, byggnadssystem och äldre laboratorieutrustning. Skillnaden som spelar roll är topologin: RS-422 är en drivare som matar upp till tio mottagare, punkt till punkt eller punkt till multipunkt, medan RS-485 är en genuin multipunktbuss där upp till 32 enhetslaster delar ett par och turas om att sända. Om du kopplar ihop två enheter över en lång sträcka kan båda fungera; om du sätter flera enheter på en kabel vill du ha RS-485.

Båda standarderna definieras av EIA/TIA, och båda använder samma idé: istället för en ledare mätt mot jord är signalen spänningsskillnaden mellan två ledare, A och B. Brus som kopplas in på kabeln tenderar att uppträda lika på båda ledarna, så skillnaden vid mottagaren förblir ren. Det är därför dessa standarder når långt bortom de 15 m (50 ft) som den single-ended RS-232 seriella pinout tillåter.

RS-422 och RS-485 sida vid sida

RS-422 är den enklare av de två. En drivare, upp till tio mottagare, och eftersom den normalt använder två partvinnade par kan den köra full duplex: data flödar båda vägarna samtidigt. Det är det naturliga valet för en länk mellan två utrustningsdelar över en lång kabel, som en styrenhet som kommunicerar med en fjärrdisplay eller en rörelseenkodare.

RS-485 behåller den differentiella signaleringen men lägger till möjligheten att sätta många enheter på ett par. Standarden räknar 32 enhetslaster på en buss; en enhetslast är en definierad ingångsimpedans, och transceivrar klassade till en bråkdel av en enhetslast låter dig överskrida det antalet. Enheter delar paret och turas om, vilket är varför RS-485 vanligtvis är halv duplex på två ledare. Fyrtrådig RS-485 ger full duplex på en multipunktbuss, med en master som sänder på ett par och slavarna som svarar på det andra.

Avstånd och hastighet

Båda standarderna når 1200 m (4000 ft) vid lägre hastigheter, och båda når 10 Mbps på korta avstånd. De två siffrorna är inte tillgängliga samtidigt: när datahastigheten ökar minskar den användbara kabellängden. En 10 Mbps-länk är en kort bänk- eller skåpkörning; en lång sträcka över en anläggning körs med en måttlig baudhastighet. Gränsen sätts av signalens stigtid och av kabeln, inte enbart av drivaren.

Använd partvinnad kabel för A- och B-ledarna. En tredje ledare för signaljord är normal praxis även om signalen i sig är differentiell, eftersom de två ändarna fortfarande behöver en gemensam referens inom det område som transceivrarna accepterar. På långa sträckor mellan byggnader kan skillnader i jordpotential överstiga det området, och en isolerad repeterare eller en fiberlänk är svaret snarare än en grövre jordledare.

RS-232 vs RS-485 i praktiken

Den praktiska skillnaden mellan RS-232 och RS-485 är inte spänningsnivåerna utan topologin och räckvidden. RS-232 är single-ended, en drivare till en mottagare, och standarden tillåter 15 m (50 ft) vid 19 200 baud, med lägre baudhastigheter som når längre. RS-485 är differentiell, når 1200 m (4000 ft) och sätter många enheter på en kabel.

Det är därför så mycket industriell utrustning använder RS-485 och så mycket bänkutrustning använder RS-232. Ett Modbus RTU-nätverk är RS-485: en master pollar en kedja av mätare, drivare eller PLC:er på ett enda partvinnat par. En laptop som ansluter till en routers konsolport är RS-232. De två är inte utbytbara på elektrisk nivå, och att ansluta en RS-232-port direkt till en RS-485-buss kommer inte att fungera och kan skada transceivern. En konverterare behövs, och konverteraren måste matcha den riktningsstyrning som bussen förväntar sig.

Modbus RS-485-kablage

Modbus RTU över RS-485 är den vanligaste platsen där människor möter denna standard, och de flesta fel är kablagefel snarare än protokollfel.

• Daisy chain, inte stjärna. Bussen går från enhet till enhet. En stjärna, där flera kablar möts i en punkt, skapar stumpar som reflekterar signalen. Håll eventuella stumpar korta.
• A och B måste vara konsekventa. Tillverkare märker paret olika, ibland A och B, ibland D+ och D-, ibland plus och minus. Om bussen inte svarar är att byta paret i ena änden det första att prova.
• Terminera båda ändarna. Ett 120 ohms motstånd över A och B i varje fysisk ände av bussen, och bara där. Enheter mitt på bussen termineras inte.
• Bias om bussen flyter. När ingen drivare är aktiv kan en terminerad buss ligga på en obestämd nivå och mottagaren kan läsa brus som data. Bias-motstånd vid en punkt håller viloläget.
• Jord och skärm. Dra signaljorden med paret, och anslut skärmen i ena änden för att undvika en jordslinga.

Terminering och 120 ohms-regeln

RS-485-terminering är ett 120 ohms motstånd över de två signalledarna i varje ände av bussen. Värdet matchar den partvinnade ledningens karakteristiska impedans, så det absorberar signalen istället för att låta den reflekteras tillbaka nedför kabeln. Reflektioner anländer till mottagaren som extra flanker och förvränger data, och effekten blir värre när kabeln blir längre och datahastigheten ökar.

Två misstag är vanliga. Det första är att montera terminatorer vid varje enhet på bussen: med flera 120 ohms motstånd parallellt överbelastas bussen och signalnivån sjunker. Det andra är att inte montera några alls: korta bänklänkar fungerar ofta, men misslyckas när kabeln förlängs. Terminera de två fysiska ändarna och inget däremellan.

RS-422 använder samma 120 ohms värde, men eftersom det normalt är ett enda drivare- och mottagarpar sätts terminatorn i den bortre änden av mottagarparret. Vissa korta RS-422-länkar körs utan terminering; ju längre kabeln är, desto viktigare blir det.

Kontakter och pinout

Ingen av standarderna fastställer en kontakt. RS-422 och RS-485 förekommer på DE-9-kontakter, plintar, RJ45-uttag, 5-poliga rundkontakter och proprietära pluggar, och pinouten bestäms av utrustningstillverkaren, inte av standarden. Läs manualen för enheten framför dig.

Där en DE-9 används placerar en vanlig RS-485-uppsättning paret på pinnarna 1 och 2 eller på pinnarna 3 och 8, med jord på pinne 5, men detta är en konvention snarare än en regel. På plintar är paret vanligtvis märkt A och B eller D+ och D-, med en separat jordplint. På RJ45 använder DMX512-belysningsstyrning pinnarna 1 och 2 för dataparet och pinnarna 7 och 8 för ett andra par, återigen enligt konvention.

Eftersom pinouten inte är standardiserad kan en kabel som fungerar mellan två enheter av ett märke inte fungera mellan två av ett annat. Märk båda ändarna och anteckna vilken pinout som används.

Att få in en PC på en RS-485-buss

De flesta datorer har inte längre en seriell port, så länken är vanligtvis en USB-adapter. En USB-till-RS-485-adapter innehåller ett konverterarchip och en transceiver, och den behöver rätt drivrutin. Fallgroparna är desamma som för andra seriella adaptrar: förfalskade konverterarchip kan blockeras av den äkta tillverkarens drivrutiner, och en adapter med TTL-utgång är inte ett RS-485-gränssnitt alls. Samma regler gäller som för USB till seriella adaptrar i allmänhet, med tillägget att en RS-485-adapter måste hantera sändningsriktningens styrning, antingen automatiskt eller via en handskakningsledning.

Vad som går fel

• Att blanda standarder. RS-232, RS-422 och RS-485 är inte utbytbara. Att mata en RS-232-port in i en RS-485-buss, eller omvänt, kan skada transceivern på lågspänningssidan. Använd en korrekt konverterare.
• HVD på en lågspänningsbuss. High voltage differential-enheter får aldrig anslutas till en single-ended eller low voltage differential-buss. Missanpassningen kan förstöra transceivrarna.
• Stjärnkablage. En buss är en kedja. Grenar och stumpar orsakar reflektioner som visar sig som intermittenta fel, ofta bara på långa kablar eller vid högre baudhastigheter.
• Fel terminering. Terminatorer vid varje enhet överbelastar bussen; inga terminatorer i ändarna lämnar reflektioner. Båda ger fel som ser ut som protokollfel.
• A och B omkastade. Bussen är tyst. Byt paret i ena änden.
• Ingen jordreferens. Det differentiella paret behöver fortfarande en gemensam referens inom transceiverns område. Utan den misslyckas långa sträckor mellan byggnader, och skillnader i jordpotential kan skada portarna.
• Opartvinnad kabel. Parallella ledare tar upp brus olika på varje ledare, vilket motverkar hela poängen med differentiell signalering. Använd partvinnad kabel.
• För många enhetslaster. Mer än 32 standardenhetslaster på en buss, eller en blandning av fulla och fraktionella laster som summerar över gränsen, överbelastar drivarna.

Att välja mellan dem

För en länk mellan två enheter över en lång kabel är RS-422 det enkla svaret: en drivare, upp till tio mottagare, full duplex på två par, terminerad i den bortre änden. För ett nätverk av enheter på en kabel är RS-485 svaret: ett daisy-chained partvinnat par, 120 ohms terminatorer i båda ändar, en signaljord, och ett protokoll som Modbus RTU eller DMX512 för att hålla trafiken ordnad. Båda når 1200 m (4000 ft) vid lägre hastigheter och 10 Mbps på korta avstånd, och båda är mycket mer beroende av korrekt kablage än av transceivrarna själva.