RS-485


RS-485

EIA-485, auch als RS-485 bezeichnet, ist ein Schnittstellen-Standard für digitale leitungsgebundene, differentielle, serielle Datenübertragung. Aufgrund der symmetrischen Signalübertragung ist EIA-485 durch eine hohe Toleranz gegenüber elektromagnetischen Störungen gekennzeichnet.

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Schaltbild eines EIA-422/EIA-485 Receiver
Schaltbild eines EIA-422/EIA-485 Transmitter

EIA-485 benutzt ein Leitungspaar, um eine invertierte und eine nichtinvertierte Version des Datensignals zu übertragen. Am Empfänger wird aus der Differenz dieser beiden Signale das ursprüngliche Datensignal rekonstruiert. Dies hat den Vorteil, dass sich Gleichtaktstörungen nicht auf die Übertragung auswirken und somit die Störsicherheit vergrößert wird. Im Gegensatz zu EIA-232 sind so wesentlich längere Übertragungsstrecken und höhere Geschwindigkeiten möglich. Gegenüber dem EIA-422-Standard besitzen die Sender durch einen integrierten Widerstand kurzschlussfeste Ausgangsstufen, so dass auch ein Gegensenden zweier Sender nicht zu Defekten führt. An einem Adernpaar dürfen außerdem mehrere Sender und mehrere Empfänger angeschlossen sein ('Multipoint').

Im Gegensatz zu anderen Bussen sind bei EIA-485 nur die elektrischen Schnittstellenbedingungen definiert. Das Protokoll kann anwendungsspezifisch gewählt werden. Deshalb werden sich EIA-485-Geräte unterschiedlicher Applikationen oder Hersteller i.a. nicht verstehen. Sollen Daten transportiert werden, bedient man sich zur Zeichenübertragung oft des Universal Asynchronous Receiver Transmitter-Protokolls (UART), bekannt von RS-232-Schnittstellen. Meist werden hier acht gleichwertige Bits pro Rahmen übertragen.

Standard

Namensgebend ist die Electronic Industries Alliance (EIA), die ihre Standards früher mit der Bezeichnung RS für Radio Sector herausgab. Mit der Erweiterung auf Fachgebiete auch über die Radiotechnik hinaus blieb zwar das Präfix erhalten, war aber offiziell keine Abkürzung mehr. Heute wird RS meist als Recommended Standard gelesen. Der Standard wird inzwischen von der Telecommunications Industry Association (kurz TIA) verwaltet, hat die Bezeichnung TIA-485-A und den Titel Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems (ANSI/TIA/EIA-485-A-98) (R2003). Der letzte Teil der Bezeichnung besagt, dass der Standard ohne technische Änderungen im Jahr 2003 bestätigt wurde.

Technik

Die Schnittstelle arbeitet mit einer Potentialdifferenz von +/-200 mV als differentielle, auf halbe Betriebsspannung bezogene Spannungsschnittstelle im Gegensatz zur massebezogenen EIA-232-Schnittstelle oder zur alten TTY-Stromschnittstelle der Fernschreiber.

Die EIA-485 Schnittstelle benutzt in der Regel nur ein Adernpaar und wird halbduplex betrieben, mit zwei Adernpaaren ist aber auch Vollduplexbetrieb möglich. Die Verbindung ist multipoint fähig, das heißt es können bis zu 32 Teilnehmer (oder Unit Loads, eine hypothetische Lastgröße) an den EIA-485-Bus angeschlossen werden. Es existieren Transceiverbausteine welche 1/2, 1/4 oder sogar nur 1/8 Unit Load darstellen. Diese Bausteine haben dann gegenüber einem normalen Transceiver einen doppelten, vierfachen oder achtfachen Eingangswiderstand. Damit können Netzwerke mit bis zu 256 Teilnehmern (1/8 Unit Load) aufgebaut werden. Üblich werden Kabellängen bis zu 1,2 km und Übertragungsraten bis 10 MBit/s unterstützt, wobei die maximale Übertragungsrate nur bei Leitungslängen von bis zu 12 m erreicht wird. Die tatsächlich mögliche maximale Netzwerkgröße und die maximale Übertragungsrate sind außerdem stark vom Aufbau des Netzwerks abhängig. Insbesondere Sterntopologien sollten aufgrund der so entstehenden langen Stichleitungen vermieden werden, vorteilhaft ist der Aufbau in Kettenform Daisy Chain.

Da die EIA-485 Schnittstelle ein Bussystem (im Gegensatz zur Punkt-zu-Punkt-Verbindung bei EIA-232) darstellt, sollten die Leitungsenden (zumindest bei größeren Leitungslängen bzw. größeren Übertragungsraten) abgeschlossen werden. Es wird in der Regel ein passiver Abschluss durch Verbinden der Signalleitungen über jeweils einen 120 Ω Widerstand an den beiden Busenden verwendet.

Bei großen Leitungslängen kann es durch den Spannungsabfall zu größeren Potentialdifferenzen zwischen den Busteilnehmern kommen, die die Kommunikation behindern. Dies kann durch Mitführen der Masseleitung verbessert oder durch eine galvanische Trennung (Optokoppler) vermieden werden.

EIA-485 spezifiziert nur die elektrischen Eigenschaften des Interfaces, es definiert kein Protokoll und auch keine Steckerbelegung. Deshalb existiert keine einheitliche Pinbelegung eines EIA-485-Steckers, so dass bei Verwendung verschiedener EIA-485-Geräte immer die Dokumentation des Gerätes beachtet werden muss. Beim Profibus, der auf der EIA-485 Norm basiert, werden beispielsweise die Pins 3 und 8 von 9-poligen D-Sub-Steckern und Buchsen für die Datenleitung benutzt.

Weite Verbreitung hat EIA-485 auch im Kassenbereich, wo IBM Drucker und andere Peripheriegeräte über proprietäre Steckverbindungen so anschließt.

Übersicht über die wichtigsten Spezifikationen

Parameter Wert
Anzahl Empfänger 32 Empfänger
Maximale Leitungslänge 1200 m
Maximale Datenübertragungsrate 10 Mbps
Gleichtakt-Eingangsspannung -7 V – +12 V
Eingangswiderstand des Empfängers 12 kΩ (1 Unit Load)
Eingangsempfindlichkeit des Empfängers ±200 mV

EIA-485 und EIA-422

Aufgrund der großen Ähnlichkeit werden EIA-485 und EIA-422 oft synonym verwendet, EIA-422 wird als Untermenge des EIA-485 Standards angesehen. Beide Standards sind aber nicht zu 100 % miteinander kompatibel. EIA-485 Bauteile können zwar ohne Probleme in EIA-422 Netzwerken verwendet werden, umgekehrt ist dies aber nicht der Fall. Wichtige Unterschiede sind:

  • EIA-422 Bauteile besitzen in der Regel keinen Driver-Enable, mit dem der Sender abgeschaltet werden kann. In einem Netzwerk mit mehreren Treibern können EIA-422 Bauteile deshalb nicht eingesetzt werden, da es sonst dazu kommen kann, dass zwei Treiber gegeneinander treiben. EIA-422 Bauteile sind dagegen nicht geschützt.
  • Bei EIA-422 Bauteilen, die doch über einen Driver-Enable verfügen, reicht die Treiberstärke nicht aus, um ein an beiden Enden terminiertes Netzwerk zu treiben.
  • Die Gleichtakt-Spannungsfestigkeit ist bei EIA-422 Treibern nicht so groß wie bei den EIA-485 Empfängern. Wenn in Netzen mit mehreren Treibern Gleichtakt-Spannungen bzw. Offsets auftreten, die für den Empfänger noch erlaubt sind, können die maximal zulässigen Spannungen am Treiber schon überschritten sein.

In einem EIA-485 Netzwerk sollten EIA-422 Bauteile deshalb nur als Empfänger eingesetzt werden. Hierbei muss aber noch beachtet werden, dass ein EIA-422 Empfänger mit seinen 4 kΩ Eingangswiderstand 3 Unit Loads entspricht.

Unterschied zu EIA-232

Die inzwischen veraltete Schnittstelle EIA-/RS-232 (Punkt-zu-Punkt-Verbindung) hat im Gegensatz zu den neueren Standards EIA-/RS-422 (ein Sender, mehrere Empfänger) und EIA-/RS-485 (mehrere Sender, mehrere Empfänger) andere Pegelverhältnisse. Während die RS-232 nur nahezu pseudo-differentiell konzipiert ist (Signalreferenz ist für alle Signale in beide Richtungen GND), so ist EIA-485 klar differentiell konzipiert. Um die Intermodulation zwischen den verschiedenen bidirektionalen Signalen der RS-232 tolerieren zu können, vergrößerte man bei der RS-232 Hub und Schaltschwellen. Entsprechende Schnittstellen-IC für RS-232 (z.B. MAX232) realisieren dafür eine zusätzliche, integrierte Hilfsspannungserzeugung (z.B. +/- 12 Volt).

Bei den neueren Schnittstellen (EIA-422, EIA-485) erkannte man hingegen, dass die Qualität einer symmetrischen Signalübertragung völlig unabhängig von der Höhe der Schaltschwelle (Mittenpotential) ist. Legt man die Schaltschwelle einfach mittig zwischen VDD und GND (+5 Volt gegen 0 Volt), so wird mit gewöhnlichen BiCMOS-Bausteinen eine der EIA-232 überlegene Übertragungsqualität erreicht.

Während die Minimalform der RS-232 aus einem Sendesignal TX, einem Empfangssignal RX sowie einer Masse GND bestehen kann, kommt die RS-485 mit zwei Signalen A und B aus, die gemeinsam im Gegentakt einmal in die eine und andernmal in die andere Richtung Daten transportieren. Eine daraus resultierende Gefahr des Gegen-Sendens zweier Partner bedingt geringfügig höheren, schaltungstechnischen Aufwand.

Diesem Nachteil stehen gravierende Vorteile gegenüber. Einerseits entfällt bei RS-422/-485 die Erzeugung positiver und negativer Hilfsspannungen komplett, damit sinkt der Bauelementeaufwand erheblich, andererseits gestatten die nun kleineren Signalhübe eine erhebliche Reduktion der Verlustleistung, da Anpassung an den (vom Signalhub unabhängig kleinen) Wellenwiderstand der Leitung stets erforderlich ist. Als Nebeneffekt bei gleichem Verschiebungsstrom (I / C = du / dt) entsteht zusätzlich ein Geschwindigkeitsgewinn, bei geringerem Hub und gleicher Flankensteilheit hat der Pegel schneller den Endwert erreicht. Damit kann übertragbare Datenrate bzw. Entfernung trotz verminderter Verlustleistung erheblich gesteigert werden.

Da Gegensenden auch schon bei Zweipunkt-Verbindungen per Kommunikationsprotokoll vermieden werden muss, impliziert RS-485 faktisch die Möglichkeit, ohne schaltungstechnischen Mehraufwand Multipunkt-Netze zu bilden.

Siehe auch

EIA-422, EIA-232, USB, CAN, DMX

Weblinks


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