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Der RS-485 Bus

Die RS485-Schnittstelle ist - analog zur RS422-Schnittstelle - für die serielle Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über große Entfernungen entwickelt worden und findet im industriellen Bereich zunehmend Verbreitung. Während die RS422 jedoch lediglich den unidirektionalen Anschluß von bis zu 10 Empfängern an einen Sender zuläßt, ist die RS485 als bidirektionales Bussystem mit bis zu 32 Teilnehmern konzipiert. Physikalisch unterscheiden sich beide Schnittstellen nur unwesentlich. Ein RS485-Bus kann sowohl als 2-Draht- als auch als 4-Draht-System aufgebaut werden.

Aufbau mit 2 Leitungen:

http://www.roboternetz.de/bilder/rs485-2leiter.jpg


Aufbau mit 4 Leitungen:

http://www.roboternetz.de/bilder/rs485-4leiter.jpg


Die Leitungen dieser Industrie-Bus-Schnittstelle werden im Gegentakt betrieben; es werden nur zwei Leitungen benötigt, die halbduplex angesteuert werden. Der Vorteil der 2-Draht-Technik liegt hauptsächlich in der Multimaster-Fähigkeit: Jeder Teilnehmer kann prinzipiell mit jedem anderen Teilnehmer Daten austauschen. Ein RS485-Bus kann sowohl als 2-Draht- als auch als 4-Draht-System aufgebaut werden (mit Handshake, oder ohne). Außerdem ermöglicht RS-485 mit Hilfe eines Protokolls, Anschluß mehrerer Sender und Empfänger (bis zu 32 Teilnehmer). Die ISO-Norm 8482 sieht eine maximale Kabellänge von 500 Metern vor. Danke moderner, symmetrischer Leitungstreiber und kapazitäts- bzw. dämpfungsarmen, paarig verseiltem (twisted pair)-Kabel, konnte die Entfernung zwischen zwei Endgeräten wesentlich erhöht werden: RS-485 unterstützt heutzutage somit Kabellängen von bis zu 1.2 km und Datenübertragungsraten bis zu 1MBit/s (abhängig vom jeweiligen seriellen Controller, siehe technische Daten der Karten und Module). Aufgrund der großen Übertragungslänge von über 1 km kann zwischen der Betriebserde des Daten-Senders und des Empfängers eine große Potentialdifferenz auftreten. Damit Potentialdifferenzen keinen Einfluss auf die Schaltungen bzw. Endgeräte ausüben können, ist lt. DIN-Norm 66348 eine galvanische Trennung der Schnittstelle vom Rest der Schaltung (z.B. durch schnelle Daten-Optokoppler) zwingend vorgeschrieben. Eine einheitliche Belegung der Anschlussverkabelung existiert nicht.


Es gibt kein vorgegebenes Protokoll

Da mehrere Sender auf einer gemeinsamen Leitung arbeiten, muß durch ein Protokoll sichergestellt werden, daß zu jedem Zeitpunkt maximal ein Datensender aktiv ist. Alle anderen Sender müssen sich zu dieser Zeit in hochohmigem Zustand befinden. Die RS485-Norm definiert lediglich die elektrischen Spezifikationen für Differenzempfänger und -sender in digitalen Bussystemen. Die ISO-Norm 8482 standardisiert darüberhinaus zusätzlich die Verkabelungstopologie mit einer max. Länge von 500 Metern.

Physikalisches Übertragungsverfahren

Die seriellen Daten werden, wie bei RS422-Schnittstellen, ohne Massebezug als Spannungsdifferenz zwischen zwei korrespondierenden Leitungen übertragen. Für jedes zu übertragende Signal existiert ein Aderpaar, das aus einer invertierten und einer nicht invertierten Signalleitung besteht. Die invertierte Leitung wird in der Regel durch den Index "A" oder "-" gekennzeichnet, während die nicht invertierte Leitung mit "B" oder "+" bezeichnet wird. Der Empfänger wertet lediglich die Differenz zwischen beiden Leitungen aus, so daß Gleichtakt-Störungen auf der Übertragungsleitung nicht zu einer Verfälschung des Nutzsignals führen. RS485-Sender stellen unter Last Ausgangspegel von ±2V zwischen den beiden Ausgängen zur Verfügung; die Empfängerbausteine erkennen Pegel von ±200mV noch als gültiges Signal. Die Zuordnung Differenzspannung zu logischem Zustand ist wie folgt definiert:

A - B < -0,3V = MARK = OFF = Logisch 1 
A - B > +0,3V = SPACE = ON = Logisch 0 

Leitungslänge

Durch die Verwendung eines symmetrischen Übertragungsverfahrens in Kombination mit kapazitäts- und dämpfungsarmem, paarig verseiltem (twisted pair)-Kabel lassen sich extrem zuverlässige Verbindungen über eine Distanz von bis zu 500m bei gleichzeitig hohen Übertragungsraten realisieren. Der Einsatz von hochwertigem TP-Kabel vermeidet auf der einen Seite das Übersprechen zwischen den übertragenen Signalen und mindert auf der anderen Seite, zusätzlich zur Wirkung der Abschirmung, die Empfindlichkeit der Übertragungseinrichtung gegen eingestreute Störsignale.

Terminierung

Ein Abschluß des Kabels mit Terminierungs-Netzwerken ist bei RS485-Verbindungen grundsätzlich erforderlich, um Reflexionen zu verhindern. Bei sehr kurzen Kabeln und sehr niedrigen Übertragungsraten kann die Terminierung weggelassen werden.

Um in den Zeiten, in denen kein Datensender aktiv ist, auf dem Bussystem den Ruhepegel zu erzwingen, kann man die Leitung B über 1k Ohm auf Masse und Leitung A über 1k Ohm auf Vcc legen.

RS485 2-Draht-Bus

Der RS485-2-Draht-Bus besteht aus dem eigentlichen Buskabel mit einer max. Länge von 500m. Die Teilnehmer werden an dieses Kabel über eine max. 5 Meter lange Stichleitung angeschlossen. Der Vorteil der 2-Draht-Technik liegt im wesentlichen in der Multimaster-Fähigkeit, wobei jeder Teilnehmer prinzipiell mit jedem anderen Teilnehmer Daten austauschen kann. Der 2-Draht-Bus ist grundsätzlich nur halbduplexfähig. D.h. da nur ein Übertragungsweg zur Verfügung steht, kann immer nur ein Teilnehmer Daten senden. Erst nach Beendigung der Sendung können z.B. Antworten anderer Teilnehmer erfolgen. Die wohl bekannteste auf der 2-Draht-Technik basierende Anwendung ist der PROFIBUS.

RS485 4-Draht-Bus

Die z.B. vom DIN-Meßbus (DIN 66 348) genutzte 4-Draht-Technik kann nur von Master/Slave-Anwendungen verwendet werden. Der Datenausgang des Masters wird in dieser Betriebsart auf die Dateneingänge aller Slaves verdrahtet. Die Datenausgänge der Slaves sind zusammen auf den Dateneingang des Masters geführt. Besonderheiten: Obwohl für große Entfernungen in industrieller Umgebung bestimmt, zwischen denen Potentialverschiebungen unvermeidbar sind, schreibt die RS485-Norm direkt keine galvanische Trennung vor. Da jedoch die Empfängerbausteine empfindlich auf eine Verschiebung der Massepotentiale reagieren, ist für zuverlässige Installationen eine galvanische Trennung, wie sie von der ISO9549 definiert wird, unbedingt empfehlenswert. Bei der Installation muß auf korrekte Polung der Aderpaare geachtet werden, da eine falsche Polung zur Invertierung der Datensignale führt. Besonders bei Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Installation neuer Endgeräte sollte jede Fehlersuche mit der Überprüfung der Buspolarität begonnen werden.


Quellen