RS-422 Schnittstelle

Hinter den RS-422 Schnittstellen steckt ein Standard für eine leitungsgebundene, differentielle und serielle Datenübertragung. Dabei spezifiziert diese Anwendung jedoch nur die elektrischen Eigenschaften des Interfaces. Die Definition eines Protokolls oder Bestimmungen zu den Belegungen der Stecker finden nicht statt. Da eine Referenz zwischen den RS-422-Spezifikationen und weiteren Richtlinien vorgesehen ist, existiert auch keine einheitliche Regel, welche die Belegung der Pins organisiert. Entgegen dem Vorgänger RS-232 ist dieser Standard für die symmetrisch verlaufende Übertragung von Signalen ausgelegt, was ferner bedeutet, dass durch den Sender stets ein positives und negatives Signal an den Empfänger verschickt wird. Dies erfolgt über eine Ader in einem verdrillten Leitungspaar. Die Zielsetzung der technischen Entwicklung liegt hierbei in der Minimierung der Gleichtaktstörungen und der Erhöhung der Datenrate. Mit den RS-422 Schnittstellen können Kommunikationen über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit Full-Duplex oder auch Multidrop-Netzwerke umgesetzt werden. Bei der punktorientierten Verknüpfung spielt der Abfall der Spannung über der Leitung absolut keine Rolle, da lediglich der Spannungsabfall am Abschlusswiderstands in der Nähe des Empfängers zu Störungen führen kann. Die eigentliche Übertragung der Datenpakete erfolgt unidirektional, was bedeutet, dass der Datenfluss nur in eine Richtung geht. Entsprechend braucht man zum Durchführen einer bidirektionalen Datenübertragung dann aber auch neben der gemeinsamen Masse noch mindestens vier weitere Leitungen, wobei je ein Leitungspaar für eine Richtung zuständig ist. Zusätzliche Leitungspaare werden erforderlich, wenn noch ein Hardware-Handshake eingesetzt werden soll. Da sich die Schnittstellen RS-485 und RS-422 in ihren elektrischen Parametern der Treiber nur in geringem Maße unterscheiden, lassen sich Treiberbausteine der einzelnen Standards im Normalfall auch für die andere Schnittstelle verwenden.

Die Polarität des Senders und Empfängers

Die Polarität kann bei einer RS-422 Punkt-zu-Punkt-Verbindung nie mit eindeutiger Sicherheit festgelegt werden, da die Spezifikation selbst an den Schaltbildern keinen Negationskreis enthält. Klar beschrieben wird lediglich die Art und Weise, in welcher die Zustände auf den Übertragungsleitungen benannt werden sollen. Hierbei spricht man in Fachkreisen dann von einer Eins, wenn sich A gegenüber B negativ gepolt ist. Ist A jedoch im Bezug auf B positiv, so spricht man von einer Null. Allerdings müssen diese Zustände in keinem direkten Zusammenhang zu den digitalen Ein-und Ausgängen des Senders und des Empfängers stehen. Da keine logische Funktion definiert ist, können auch der Sender und der Empfänger eine Negation enthalten:

  • Beim RS-422 Sender: Der Sender ist dazu in Lage, ein digitales Eingangssignal unter Aufbringung eines TTL-Pegels in ein Signal mit gleicher Polarität oder umgekehrter Polarität umzuwandeln. In der Theorie hat dies demnach den Effekt, dass ein Signal mit einer negativen Spannung ausgegeben wird. Jedoch kann in der Praxis lediglich festgemacht werden, dass es dazu kam, dass das Eingangssignal negiert wurde.

  • Beim RS-422 Empfänger: Die Ausgänge eines Senders sind hier mit den Eingängen eines Empfängers gleichzusetzen. Dabei kommt es unter Einbezug der Logik zur Umsetzung des Differentialsignals zwischen den Eingängen, was in Form eines digitalen Signals und mit einem TTL-Pegel geschieht.

Die verschiedenen Arten der Terminierung

Bei Datenübertragungen, die über eine Schnittstelle laufen, kann es manchmal von entscheidender Wichtigkeit sein, eine sogenannte Terminierung vorzunehmen. Je nach Anwendung und Beschaffenheit eines Netzwerks finden sich drei unterschiedliche Formen der Terminierung:

  • einfache Terminierung – hierbei wird am Ende der Strecke, welche für den Datentransfer genutzt wird, ein Widerstand angeschlossen, der sich an der Impedanz der Leitung orientiert.

  • RC-Terminierung – bei dieser Methode wird der Widerstand mittels eines Kondensators in Reihe geschaltet, was die Verlustleistung der Schaltung mindert. Würde diese Leistung nicht herabgesenkt werden, könnte der Terminierungswiderstand nicht dynamisch wirksam werden. Allerdings beschränken sich bei dieser Vorgehensweise auch die Übertragungsrate und die Leitungslänge.

  • Failsafe-Terminierung – hier ist immer eine Signalleitung mit einem Pull-UP- oder einem Pull-down-Widerstand ausgestattet. Kommt es zum Ausfall eines Senders oder zu einem Kabelbruch sowie offenen Empfängern werden weiterhin definierte Pegel erzeugt.

Kriterien für eine effiziente Datenübertragung

Das Versenden von Daten zwischen den Teilnehmern einer Netzwerktopologie macht nur dann Sinn, wenn es enorme Vorteile mit sich bringt und die Übertragung vor allem auch gewährleistet werden kann. Um dies als Anwender sicherzustellen, lassen sich verschiedene Kriterien abarbeiten, die dabei behilflich sind, selbst bei hohen Datenraten noch einen sicheren Transfer aufrecht zu erhalten:

  • verdrillte Leitungspaare einsetzen, damit elektromagnetische Einflüsse nicht zu Störungen oder Beeinträchtigungen führen.

  • Der Übertragungskanal sollte auf Seiten des Empfängers abgeschlossen sein, sodass auch eine optimale Leistungsanpassung bei einer minimalen Reflexion erreicht werden kann.

  • Werden durch eine höhere Übertragungsrate die Ansprüche an eine Übertragung verschärft, so sollte eine zusätzliche kapazitive Schirmung in Form eines Mantels erfolgen.

  • Damit auch bei Nichtexistenz einer galvanischen Trennung keine zu großen Verschiebungen des Potentials entstehen, sollte stets eine Signalmasse mitgeführt werden, da eine Verbindung der Signalmasse mittels eines Schirms nur als Übergangslösung fungieren kann.

Die Grundlagen und technischen Besonderheiten der RS-422 Schnittstellen

Bei der Entwicklung von modernen Technologien hat sich der Zusammenschluss von Herstellern meist als äußerst effizient erwiesen, da das Ziel eines Programms stets sein sollte, alle wichtigen Charakteristika aufzuweisen, um international anerkannt zu werden und durch jeden Anwender gebraucht werden zu können. Die Arbeit der EIA oder auch Electronic Industries Alliance hat oft Standards hervorgebracht, die sich vor allem mit seriellen Schnittstellen befassen, die der Kommunikation innerhalb eines Computers und dem Datentransfer seiner Komponenten sowie Bestandteile dienen. Heute werden vor allem EIA-232, EIA-422, EIA-423 und EIA-485 unterschieden, von welchen EIA-422 im Folgenden näher erläutert werden soll. Wie auch die anderen Versionen handelt es sich hierbei um einen klassischen Standard aus den Anfängen der Electronic Industries Alliance.

Eine Einführung zur RS-422 Schnittstelle

Neben den RS-485 Standards findet sich auch hier eine Schnittstelle, die für die serielle Datenübertragung in einem System konzipiert wurde. Dabei können Höchstgeschwindigkeiten und große Distanzen realisiert werden, sodass sich besonders im industriellen Bereich der Gebrauch dieser technischen Anwendung immer mehr verbreitet. Die seriellen Daten werden bei der Verwendung der Rs-422 Schnittstelle ohne einen Massebezug als Spannungsdifferenz zwischen den zwei miteinander kommunizierenden Leitungen übertragen. Für jedes Signal, welches verschickt werden soll, existiert hierbei ein eigenes Adernpaar, welches sich aus folgenden zwei Komponenten zusammensetzt:

  • invertierte Signalleitung – diese Leitung wird im Normalfall durch den Index eines großen A´s oder des Minussymbols gekennzeichnet.

  • nichtinvertierte Signalleitung – hier erfolgt die Kennzeichnung durch ein großes B oder das Plussymbol

Der Empfänger des Datenpakets wertet die Differenz zwischen den beiden Leitungen aus, sodass es selbst beim Auftreten von Gleichtaktstörungen nicht zu Verfälschungen des Nutzsignals führen kann. Da bei der RS-422 Schnittstelle abgeschirmte und paarig verseilte Level-5-Kabel eingesetzt werden, können selbst Datentransfers stattfinden, die sich über Distanzen von bis zu 1200 Metern erstrecken und dabei eine Schrittgeschwindigkeit von maximalen 100.000 Baud erreichen. Wird eine Leitung belastet, so stellt die Schnittstelle einen Ausgangspegel zwischen den beiden Ausgängen zur Verfügung der +/- 2 Volt betragen kann. Bei den Empfängerbausteinen werden selbst Signale mit einem Pegel von +/- 200 mV noch als gültig angesehen. Das verwendete Übertragungsverfahren wird als physikalisch bezeichnet.

Weitere Grundlagen zur RS-422 Schnittstelle

Wie bereits erwähnt, dient diese serielle Schnittstelle Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen. Dabei können jedoch innerhalb einer Übertragungseinrichtung maximal zehn Empfänger parallel mit einem Sender verbunden werden. Die hierbei zu erzielende Leitungslänge ist abhängig von der verwendeten Übertragungsgeschwindigkeit. Laut des Standards können bei Schrittgeschwindigkeiten die unterhalb von 100 kBit/s liegen nur rund 1200 Meter an Leitungslänge verlegt werden, damit noch eine Kommunikation garantiert werden kann. Verwendet man nun jedoch ein symmetrisches Übertragungsverfahren, bei welchem paarig geseilte Twisted-Pair Kabel zum Einsatz kommen, welche in ihrer Kapazität und Dämpfung sehr schwach sind, so lassen sich auch extrem weite Distanzen überbrücken, ohne dabei das Level der Übertragungsrate herabzusetzen. Der Einsatz von hochwertigen, modernen TP-Kabeln hat zwei wesentliche Vorteile:

  • Das Übersprechen zwischen den übertragenden Signalen wird vermieden

  • Die Empfindlichkeit der Übertragungseinrichtungen gegenüber eingestreuten Störsignalen kann reduziert werden

Bei dem Standard der RS-422 Schnittstellen werden bezüglich der Mechanik keine direkten Spezifikationen getroffen. So erfolgt lediglich ein Hinweis auf die RS-449 Schnittstellen, da diese
SUB-D Steckverbinder mit 37 Polen besitzen. Allerdings findet sich diese Form der Stecker nicht in der Praxis, da die Kosten und der Platzbedarf zu hoch ausfallen. Deshalb finden sich hauptsächlich SUB-D-Anschlüsse, die neun, fünfzehn oder 25 Pole enthalten. Auch eine einheitliche Belegung der Pins existiert hier nicht, sodass bei einer Verbindung von RS-422 Geräten immer das innerhalb der Dokumentation aufgeführte Pin-Out berücksichtig werden muss.

Die Terminierung und Besonderheiten bei der RS-422 Schnittstelle

Ob es zu einer Terminierung an den Kabelenden, also einem klaren Abschluss durch einen Widerstand, kommt, hängt von der Art der Anwendung ab und wurde in der Norm definiert. Herrschen bei der Übertragung von Daten Geschwindigkeiten, die mehr als 200kBit/s belaufen, sollte es zu einer Terminierung kommen. Dies ist auch der Fall, wenn auf dem Kabel ein Signal eine Laufzeit von mehr als einer halben Bit-Zeit hat. Damit Reflexionen unterdrückt werden können, ist auch hier eine Terminierung in der Größenordnung der entsprechenden Kabelimpedanz erforderlich. Bei paarig miteinander verseilten Kabeln liegt diese Impedanz im Normalfall in einer Spanne zwischen 100 Ohm und 200 Ohm. Die RS-422 Standards stellen ferner eine besondere Art der seriellen Schnittstelle dar. Denn auch wenn die RS-422 für große Entfernungen konzipiert wurden, zwischen denen Potentialverschiebungen meist unvermeidlich sind, so schreibt die Norm jedoch nicht den Einsatz einer galvanischen Trennung vor. Da die Bausteine des Empfängers jedoch sehr empfindlich auf die Verschiebung der Massenpotentiale reagieren, ist die Verwendung dieser Trennung empfehlenswert, damit eine zuverlässige Installation durchgeführt werden kann. Zudem muss bei der Installation auf die korrekte Polung der Aderpaare geachtet werden, da es bei einer falschen Polung zum Invertieren der Datensignale und Handshake-Signale kommt.