RS-485 Schnittstelle

Schnittstellen sind im Bereich der digitalen Datenübertragung ein nicht mehr wegzudenkendes Muss. Dabei kristallisieren sich jedoch besonders solche Schnittstellen heraus, die sich als Standard durchsetzen können und somit meist aufgrund ihrer Funktionalität und Kompatibilität international anerkannt sind. Bei diesen Schnittstellen haben sich besonders die Ausführungen der „Electronic Industries Alliance“, kurz EIA, durchgesetzt, sodass sich hier im Laufe der Zeit zahlreiche Standards etabliert haben. Eine dieser technischen Weiterentwicklungen findet sich in den RS-485 Schnittstellen, was oft auch als EIA-485 bezeichnet wird. Der folgende Text soll einen kurzen Überblick und eine erste Einführung in die Thematik dieser Technologie bringen.

Eine Einführung in die RS-485 Schnittstellen

Bei den RS-485 Schnittstellen handelt es sich um eine physikalische Spezifikation zu einer bidirektional verlaufenden Verbindung, welche über ein differentiales Leitungspaar verläuft. Bei dieser Leitung handelt es sich um ein Twisted-Pair-Kabel mit einem Wellenwiderstand von 120 Ohm. Bei dieser Verbindung ist die gleichzeitige Verknüpfung an zwei oder auch mehrere Teilnehmer aus einer Netzwerktopologie möglich. Der Begriff der Topologie steht hierbei für die Form, in welchem die Komponenten in einem System zueinander verbunden sind. Hierbei finden sich unterschiedliche Strukturen wie zum Beispiel eine Linien-Anordnung, die Formatierung als Stern, Baum oder Ring. Im Falle der RS-485 Schnittstellen finden sich jedoch stets ein linear verlaufender Leitungsaufbau und niemals ein Stern. Auch Stichleitungen zählen nicht zu den Charakteristika dieser Schnittstellen. Idealerweise ist die Leitung an beiden Enden terminiert, das bedeutet dass es zu beiden Seiten einen klaren Abschluss gibt. Durch diese Terminierung lassen sich mit der Schnittstelle wesentlich höhere Geschwindigkeiten und weitere Distanzen realisieren, was bei dieser Technologie ohnehin zwingend notwendig ist. Bei dem verwendeten Interface der RS-485 Schnittstellen handelt es sich um einen entsprechenden Transceiver, der sich in der Regel aus einem Sender und einem Empfänger zusammensetzt. Diese Transceiver sind zu Pins kompatibel. Da es gilt, dass niemals mehrere Sender gleichzeitig auf einer Leitung aufgeschaltet sein können, wird der benötigte Sender immer nur bei Bedarf aktiviert, was auch als Halbduplex bezeichnet wird. Definiert ist dies auf der Protokollebene.

Das Schaltbild bei einem RS-485 Receiver

Die RS-485 Schnittstellen nutzen also ein Leitungspaar. Dies kommt zum Einsatz, damit es zu einer Übertragung des invertierten und auch nichtinvertierten Pegels eines 1-Bit-Datensignals kommen kann. Hierfür wird an der Stelle des Empfängers durch die Differenz der beiden Spannungspegel das ursprüngliche Datensignal zurückverfolgt und rekonstruiert. Dies hat den Nutzen, dass Störungen im Gleichgewicht einer Spannung keine Auswirkungen auf die Übertragung der Daten haben können und sich somit die Störsicherheit erhöht. Resultierend hieraus entstehen auch deutlich höhere Taktraten und die Distanz einer Übertragungsstrecke kann ausgedehnt werden. Die Sender der RS-485 Schnittstellen besitzen kurzschlussfeste Ausgangsstufen, die durch den integrierten Widerstand zur Verfügung gestellt werden können. Aufgrund dessen kann es selbst beim Gegensenden zwischen zwei Sendern nicht zu Defekten in der Datenübertragung und somit im gesamten Netzwerk kommen. Auch der Begriff des Multipoints muss im Zusammenhang zu dieser Schnittstelle genannt werden, da es zulässig ist, an einem Paar aus Adern mehrere Sender und Empfänger anzubinden. Einen gewissen Nachteil besitzt diese technische Anwendung jedoch dennoch, da lediglich die elektrischen Bedingungen der Schnittstelle klar definiert sind und sich somit das Protokoll anwendungsspezifisch wählen lässt. Dies klingt zunächst für den Laien zwar von großem Nutzen, hat jedoch auch den negativen Aspekt, dass sich RS-485-Geräte von unterschiedlichen Herstellern nicht miteinander verbinden lassen, sodass bei der Zeichenübertragung zusätzlich das UART notwendig wird, das Universal Asynchronous Receiver Transmitter-Protokoll.

Die Datenübertragung mittels der RS-485 Schnittstellen in einem kurzen Überblick

Die RS-485 Schnittstellen sind technische Komponenten, die bei der Übertragung von Daten innerhalb eines Systems und zwischen den Teilnehmern eines Netzwerks behilflich sein kann. Dabei durchläuft diese Übertragung einen bestimmten Ablauf damit die Daten von dem adressierten Sender zum adressierten Empfänger geschickt werden können. Vor allem der Schritt der Synchronisation, also das zeitliche Aufeinander abstimmen von Vorgängen, ist ein wesentlicher Bestandteil bei dem Datentransfer an den RS-485 Schnittstellen, sodass sich hierbei mehrere Durchläufe finden lassen:

  • Synchronisation erfolgt durch den Empfänger in Form der Wortsynchronisation
  • Synchronisation des Empfängers wird beim Start der Übertragung auf der Datenleitung initialisiert, wenn das Stopp-Bit oder der Ruhezustand den inversen Pegel zum Start-Bit aufweisen kann
  • Synchronisation des Empfängers in die Mitte der einzelnen Datenbits
  • Abtasten der folgenden Bits des Datenwortes mittels der eigenen Bitrate

Die Übertragung von Daten erfolgt bei diesen Schnittstellen as

ynchron, was bedeutet, dass kein gemeinsamer Takt existiert. Jeder Teilnehmer hat die Berechtigung vollständige Datenwörter zu verschicken, wenn eine Leitung als frei gilt. Der Zeitpunkt ist hierbei nicht relevant, sodass eine Datenübertragung sofort initialisiert werden kann, wenn eine Leitung zur Verfügung steht.

Die Entstehung der RS-485 Schnittstellen

Unter Informationstechnik wird Informations-und Datenarbeit sowie die hierfür benötigte Hardware und Software verstanden. Der Begriff der Automatisierungstechnik spiegelt das Streben nach Anlagen und Maschinen wieder, die untereinander kommunizieren können und ohne Zutun des Menschen Vorgänge automatisch initialisieren und durchführen. Die Industrielle Kommunikation ist letztlich als eine Art Oberbegriff für alle Techniken anzusehen, die den Zweck des netzwerkinternen Datentransfers und der Datenverarbeitung durch die Komponenten eines Systems verfolgen. Diese drei Worte beschreiben jedoch ferner auch einen immer wichtiger werdenden Aspekt in zahlreichen Industriezweigen, bei denen es erforderlich ist im Sinne einer Kostensenkung und Optimierung der Funktionalität sowie Kompatibilität eine Verbindung zwischen den Geräte eines oder mehrerer Systeme herzustellen. Beim Entwickeln von solchen technischen Anwendungen erweisen sich besonders diejenigen als äußerst rentabel, die im Laufe der Zeit zu einem Standard avancieren. Dies trifft auch auf die vielfachen Schnittstellen der EIA zu, der Electronic Industries Alliance, von denen im Nachfolgenden die RS-485 Schnittstellen genauer behandelt werden sollen.

Eine kurze Einführung in die EIA

Entstanden sind die RS-485 Schnittstellen auf Initiative eines US-amerikanischen Unternehmerverbundes hin, der Electronic Industries Alliance, kurz EIA. Durch diesen Verband wurden zahlreiche Standards entwickelt, damit eine Zusammenarbeit zwischen herstellerverschiedenen Geräten gewährleistet werden kann. Die EIA an sich hat sich im Jahre 2010 aufgelöst, obgleich die noch ausstehenden Aufgaben durch die Einzelorganisationen immer noch weitergeführt werden. Bei der EIA handelte es sich im Ursprung um einen Zusammenschluss von US-amerikanischen Herstellern von Radios. 1924 hatte die Organisation jedoch noch den Namen „Associated Radio Manufacturers“, wobei im selben Jahr noch die Umbenennung zur „Radio Manufacturers Association, kurz RMA, stattfand. Durch den Aufschwung der Elektronik stiegen immer mehr Mitglieder in den Verbund ein, sodass sich im Laufe der Zeit ein immer vielfältigerer Aufgabenbereich herausbildete, zudem jedoch scheinbar auch eine regelmäßige Namensänderung gehörte. So war diese Organisation 1950 unter dem Namen „Radio Television Manufacturers Association, 1953 unter „Radio Electronics Television Manufactureres“ und 1957 unter “Electronics Industries Association” bekannt. Erst zwanzig Jahre nach der letzten Namensänderung erhielt die EIA ihren endgültigen Namen und löste sich zeitgleich von einer Entwicklung ab, die nur die reine Herstellervereinigung widerspiegelte.

Die Arbeitsweise der RS-485 Schnittstellen im kurzen Überblick

Bei diesem Bussystem finden sich verschiedene Bausteine, sodass sich auch die Funktionalität der Technologie über die unterschiedlichsten Aufgabenbereiche erstreckt. Zudem findet sich hierbei eine sehr komplexe Charakteristik, die in der folgenden Übersicht einfacher dargestellt werden soll, wobei es sich im Speziellen um das Vorhandensein unterschiedlicher Bausteine sowie Leitungen und den Eigenschaften im Allgemeinen dreht:

  • Es werden symmetrische Leitungen verwendet, die mit einem Differenz-Spannungspegel arbeiten
  • Dieser muss mindestens +/- 200 mV betragen
  • Der Sender eines herkömmlichen RS-485 Bausteins nutzt eine Brückenschaltung, sodass sich der Signalpegel des Senders und die Betriebsspannung des Treibers gleichstellen
  • Der RS-485 Empfänger ist gegenüber Störungen im Gleichtakt weitestgehend resistent
  • Im Normalfall wird nur ein mittels Halbduplex-Verfahren betriebenes Adernpaar verwendet
  • Durch den Einsatz von zwei Adernpaaren lässt sich der Vollduplexbetrieb erreichen
  • Die Verbindung ist zu Multipoints befähigt, sodass sich bis zu 32 Teilnehmer an den Bus der RS-485 Schnittstelle anbinden lassen
  • Durch die Transceiver-Bausteine lassen sich jedoch Netzwerke aus bis zu 256 Teilnehmer aufbauen
  • Die tatsächliche Netzwerkgröße und Übertragungsrate sind von der Netzwerktopologie abhängig
  • Es sollte keine Sterntopologie verwendet werden, da hier lange Stichleitungen entstehen, sodass der Aufbau einer Kette als vorteilhafter gilt

Der Abschlusswiderstand mit dem Bias-Netzwerk

Die RS-485 Schnittstellen sind im Grunde ein Bussystem, sodass es vor allem bei größeren Leitungslängen und Leitungsgrößen erforderlich ist, für abgeschlossene Leitungsenden zu sorgen. Typischerweise wird hierfür ein passiver Abschluss verwendet, der durch eine Verbindung der Signalleitungen über einen Wellenwiderstand von 120 Ohm am jeweiligen Busende angebracht wird. Bei einem optionalen Bias-Netzwerk werden undefinierte Buspegel vermieden, was sich auf die inaktiven Leitungstreiber bezieht. Wäre dies nicht der Fall würde der Empfänger bei einem undefinierten Bus im Zustand des zuletzt aktiven Logikwertes verbleiben, wobei es jedoch durch starke Störungen zum hin-und her kippen kommen kann. Werde Leitungen verwendet, die sich über eine größere Distanz erstrecken, so kann es aufgrund des Spannungsabfalls zu stärkeren Potentialdifferenzen zwischen den Teilnehmern des Bussystems kommen, sodass eine Kommunikation nicht mehr zu realisieren ist. Dies lässt sich jedoch durch das Mitführen einer Masseleitung oder die galvanische Trennung, auch Optokoppler genannt, verbessern oder sogar gänzlich verhindern. Bei den RS-485 Schnittstellen sind nun keine elektrischen Eigenschaften spezifiziert, die das Interface betreffen. Zudem findet auch keine Definition eines Protokolls oder der Belegung von Steckern statt, sodass es keine einheitliche Pin-Belegung gibt, wodurch es unter Verwendung verschiedener Geräte mit RS-485 Technologie erforderlich ist, die Dokumentationen der jeweiligen Geräte zu berücksichtigen.