Die serielle RS485 Verbindung


Allgemeines zu seriellen Verbindungen

In den vergangenen Jahren begann die Industrie, Anlagenkomponenten aus verschiedensten Bereichen zu vernetzten. Es reicht schon lange nicht mehr aus, ein System über die serielle RS232 Verbindung anzusprechen, da es sich hier lediglich um die Kommunikation zwischen nur zwei Teilnehmern handelt. Ein einziger Sender kann hier lediglich nur ein Empfänger ansprechen. Die max. Datenübertragungsrate ist 20K Bits/s (20000 Baud), die Kabellänge ist auf ca. 25m begrenzt. Bei längeren Kabeln kommt es zu Spannungseinbrüchen und Störeinflüssen, die den Datenaustausch negativ beeinflussen. An dieser Stelle sei noch angemerkt , dass die Abkürzung RS für "Recommended Standard" steht. Damit Systeme unterschiedlicher Hersteller miteinander sprechen können, muss es natürlich eine internationale Norm geben. Dies ist mit dem Standard EIA232 definiert.

Die RS422 Verbindung wurde entwickelt, um höhere Datenübertragungsraten bis zu 110K Bits/s zu ermöglichen. Die max. Kabellänge beträgt hier ca. 1200m. Termination ist ebenfalls ab einer gewissen Länge sehr wichtig, dazu jedoch weiter unten mehr. Diese hohe Kabellänge wird durch den Einsatz von differentiellen Leitungstreibern möglich. Ein solcher Treiber reduziert den sog. "Ground Shift" Effekt, bei dem der Signallevel in Bezug zur Maße in einem Störungsfall verändert wird und somit fehlerhafte Informationen entstehen. Bei einer differentiellen Übertragung wird nicht nur die Leitung mit dem Informationsgehalt gestört, sondern auch die Leitung, die das Bezugspotential darstellt. Für den Empfänger hat sich somit die Differenz der beiden Signal nicht verändert und er kann die übermittelten Daten weiterhin fehlerlos interpretieren. Die RS422 Technologie erlaubt die Verbindung eines Senders mit bis zu zehn Empfänger. Sie erlaubt jedoch nicht die sog. "Multi Point" Verbindung mit mehreren Sendern und Empfängern, bei der jeder Netzwerkteilnehmer senden und empfangen kann.

Um zwischen mehreren computergesteuerten Systemen Daten auszutauschen, die dazu noch über eine große Distanz voneinander getrennt sind, stehen verschiedene Modelle zur Verfügung, wie z. B. der Profibus oder die Ethernet Verbindung mit dem TCP/IP Protokoll. Eine sehr einfache Möglichkeit Teilnehmer zu vernetzen, bietet die serielle RS485 Verbindung. Ein RS485 Netzwerk ist ein "Multi Point" Netzwerk, bei dem jeder Teilnehmer sowohl senden als auch empfangen kann. Die maximale Anzahl der Teilnehmer ist auch von dem eingesetzten Datenübertragungsprotokoll abhängig. Ein solches Protokoll sollte aus einem Header, Checksummen Berechnungsprozeduren und einem Seperator bestehen. Hierbei sind meist bis zu 30 Netzwerkteilnehmer ansprechbar. Jeder Teilnehmer besitzt seine eigene Netzwerkadresse, auch Knoten genannt, über die er eindeutig identifizierbar ist.

Technische Einzelheiten

RS485 ist ein "Zweidraht, Half Duplex, Multi Drop" Netzwerk, bei dem mehrere Teilnehmer, die sowohl senden als auch empfangen können, miteinander verbunden sind. Entscheidend ist jedoch, dass nur jeweils ein einziger Teilnehmer zu einer bestimmten Zeit senden darf. Das gleichzeitige Senden mehrerer Teilnehmer würde zu Kollisionen führen. In der Regel gibt es zwei Adern A & B, über die der gesamte Datenaustausch abgewickelt wird. Über diesen Leitungen werden differentiell die Signalpegel übertragen. Alle Teilnehmer müssen ein gemeinsames Massepotential benutzen. Dies ist ebenfalls in dem EIA485 Standard spezifiziert.

Die Masseverbindung

Eine gute Verbindung zur Maße ist ein entscheidendes Kriterium für ein stabiles RS485 Netzwerk. Wie bereits erwähnt, müssen alle Treiber das gleiche Massepotential benutzen. Sehr oft wird fälschlicherweise angenommen, dass eine Masseverbindung ein sehr guter Leiter ist, um gewisse Mengen an Energie zu absorbieren. Diese Annahme ist jedoch völlig falsch. Massepotentiale können in industriellen Anwendungen von Schaltkreis zu Schaltkreis sehr stark variieren. Diese Unterschiede werden meist durch die Ableitströme der Anlagen ins Erdpotential verursacht. Während elektrischen Aktivitäten, z. B. bei einem Blitzschlag, können Potentialunterschiede von 10 bis zu 100 Volt auftreten. Daher ist die Verwendung von Erdpotential als Bezugspunkt eines Netzwerkes keine gute Wahl. Es sollte immer eine dritte Ader zum Einsatz kommen, mit der man alle Teilnehmer zu einem 0V Potential verbindet. Das ist umso wichtiger wenn man sich vor Augen führt, dass es eine große Distanz zwischen allen Teilnehmern gibt, wobei jeder seine eigene Maße besitzt. Generell wird empfohlen, "Twisted Pair" Kabel zu verwenden. Das erste Paar kann für die Adern A und B und das zweite Paar für die Maße eingesetzt werden. Unbenutzte Adern sollten wegen induktiver Störrungen vermieden werden.

Gut geschirmt ist halb...

Die Verwendung des Schirms einer Netzwerkleitung wird immer stark diskutiert. Es ist immer von Vorteil einen Schirm mit zu installieren, auch wenn man glaubt, ihn nicht wirklich zu benötigen. Wir das Kabel in industriegerechten Kabelschächten verlegt, ist eine Schirmung fast nicht nötig. Dies ändert sich jedoch, wenn leistungsstarke Motoren in der Nähe sind. Durch die Verbindung zum Erdpotential verhindert der Schirm einer Leitung Störungen jeder Art. Der Schirm sollte immer beim Sender installiert sein. Gibt es in dem Netzwerk ein Host in Form eines PC's, so sollte der Schirm des Kabels mit dem Schirm des PC's verbunden sein.

Das richtige Kabel

Es gibt eine Unzahl von technischen Dokumentationen von Herstellern differentieller Treiber IC's. Hier wird meist der Einsatz eines Kabels empfohlen, welches eine Impedanz von 100 bis 120 Ohm hat. Dies wird durch einen Widerstand von 120 Ohm erreicht, der sowohl am Anfang beim ersten Teilnehmer als auch am Ende beim Letzten Teilnehmer zwischen den Adern A und B installiert wird. Da es leichter ist, ein Kabel mit sehr niedriger Kapazität zu erwerben, gestaltet sich die Terminierung mit einem Widerstand leichter, als bei einer noch nicht feststehender Kabellänge die Impedanz zu ermitteln. Die Kabelspezifikation CAT5 oder LiYCY bietet sich für solche Einsatzfälle an und wird häufig auch im Zusammenhang mit Ethernet Netzwerken genannt. Die max. Länge darf hier 1200m ebenfalls nicht überschreiten.

Die Netzwerktopologie

Es gibt verschiedene Topologien um Netzwerke aufzubauen wie z. B. Backbone, Stern, Ring, und Daisy Chain. Ein RS485 Netzwerk arbeitet erfahrungsgemäß am sichersten in einer Daisy Chain Topologie, da hier Reflektionen auf der Netzwerkleitung am effektivsten absorbiert werden. Bei Installationen wird nicht nur der Hauptstrang, sondern auch sog. Stichleitungen verlegt, die jeweils die einzelnen Teilnehmer mit dem Hauptstrang verbinden. Die Stichleitungen sollten nicht länger als 1 bis 3m sein. Bei einer möglichen Fehlersuche kann dadurch sehr einfach zwischen Netzwerk/Kabelproblemen und Teilnehmerproblemen unterschieden werden.

Die Termination

Mit dem Begriff Termination wird der Abschluss eines Netzwerkes beschrieben. Schneidet man ein Kabel in eine bestimmte Länge und schließt dieses mit dessen charakteristischer Impedanz ab, so erhält man messtechnisch ein Kabel mit unendlich großer Länge, welches keinerlei Reflektionen am Leitungsende bzw. am Leitungsbeginn zulässt. Reflektionen sind der häufigste Grund für Netzwerkprobleme. Es gibt viele verschiedene Meinungen darüber, wie ein RS485 Netzwerk zu terminieren ist. Hier nun die vier bekanntesten.

Ohne Termination lassen sich nur Netzwerke mit geringer Baudrate betreiben. Weiterhin darf die Länge des Kabels nicht groß sein. Ab einer gewissen Datenübertragungsgeschwindigkeit und Leitungslänge entstehen Reflektionen am Leitungsende, so dass diese Art der Terminierung zu keinem zuverlässigen Ergebnis führt. Der Vorteil ist jedoch eine einfache und kostengünstige Realisierung.

Bei der parallelen Termination ist jeweils nur ein Sender an einem Ende des Netzwerkes zugelassen, mit einem Abschlusswiderstand an dem gegenüberliegendem Ende. Für die häufigsten industriellen Anwendungen ist diese Art des Netzwerkabschlusses ebenfalls nicht praktikabel. Die nebenstehende Grafik verdeutlicht den Aufbau einer parallelen Termination.


Eine weitere Möglichkeit des Netzwerkabschlusses bietet die AC Termination. Diese Technologie erfordert einen hohen Installationsaufwand und und bietet keine gute Zuverlässigkeit bei schlechter Umsetzung. An dieser Stelle kann jedoch aufgrund des Umfanges nicht näher darauf eingegangen werden. Es existiert jedoch ausreichende Literatur, um weitere Informationen zu erhalten.

Die bidirektionale Termination wird am häufigsten eingesetzt. Sie bietet eine exzellente Signalqualität und die Integration eines Sender ist an jeder beliebigen Stelle des Netzwerkes möglich. Kaum ein PC wird standardmäßig mit einer RS485 Schnittstelle ausgeliefert. Darum ist oft die Installation einer RS422/485 Schnittstellenkarte erforderlich. Diese Karten bieten bereits einen Abschlusswiderstand direkt am Port von 120 Ohm. Wird der PC so eingesetzt, dass er das Netzwerk von einer Seite abschließt, so muss das andere Ende ebenfalls mit einem 120 Ohm Widerstand abgeschlossen werden. In der Grafik ist der Aufbau einer bidirektionalen Termination ersichtlich. Daten können jeweils in beide Richtungen sowohl gesendet als auch empfangen werden.


Geeignete RS485 Treiber IC's

Als geeignete Treiber kommen z. B. die Produkte MAX481, MAX483, MAX485, MAX487 oder der MAX1487 von MAXIM zum Einsatz. Die Datenblätter können von der Homepage von MAXIM- Dallas Semiconductor heruntergeladen werden. Der MAX487 kann z. B. Informationen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 250kBits/s im Half Duplex Verfahren übertragen. Mit einer beliebigen Kombination aus der MAX Serie können bis zu 32 IC's an einem Bus betrieben werden. Die Spannungsversorgung beträgt +5VDC. Mit einem Low Signal an PIN 2 für RE (Receiver Enabled) wird der Empfangsmodus aktiviert. Mit einem High Signal an PIN 3 für DE (Driver Enabled) wird der Sendemodus aktiviert. Beide Signale sollten zusammengeschaltet werden, so dass der Betriebsmodus immer eindeutig ist. An PIN 1 mit dem Signal R0 können die mit A+ und B- (PIN6&7) empfangenen Daten ausgelesen werden. Im Sendezustand werden die Informationen an PIN4 DI (Driver Input) übertragen und anschließend mit A+ und B- über den Bus versendet.


Die Tabelle für den Empfangszustand

Inputs
Outputs
RE/
DE
A-B
R0
0
0
größer 0,2V
1
0
0
kleiner 0,2V
0
0
0
offener Eingang
1
1
0
X
High Impedance


Die Tabelle für den Sendezustand

Inputs
Outputs
RE/
DE
DI
B
A
X
1
1
0
1
X
1
0
1
0
0
0
X
High Impedanz
High Impedanz
1
0
X
High Impedance
High Impedance


Das Zeitdiagramm einer Sendeübertragung

In der Grafik ist der Signalverlauf von Driver Enabled DE, Driver Input DI und der differentiellen Ausgangsspannung A-B zu sehen. Die Messung der differentiellen Ausgangsspannung zwischen den PIN's 6 & 7 repräsentiert TX/RX+ und TX/RX- mit einem Pegel von -5VDC bis +5VDC.



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