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RS485-Kommunikations anleitung

Olga Weis Olga Weis Oct 21, 2021

RS485 ist ein allgemeiner Kommunikationsstandard, der in Datenerfassungs- und Steuerungsanwendungen weit verbreitet ist. Einer der Hauptvorteile besteht darin, dass mehrere RS485-Geräte an denselben Bus angeschlossen werden können, wodurch mehrere Knoten miteinander verbunden werden können.

Dieser Artikel behandelt einige der häufigsten Aspekte der RS-485-Kommunikation und erklärt, was RS485-Kommunikation ist und warum die RS-485-Kommunikation nach wie vor so beliebt ist.

RS485-Datenanalysator

Bei der Arbeit mit seriellen Apps und Geräten verlassen sich Spezialisten oft auf dedizierte Software wie den RS485 Datenlogger von Electronic Team, um serielle Aktivität zu erkennen und Portaktivität zu analysieren, Fehler zu erkennen, empfangene Daten zu vergleichen usw.
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Was ist RS-485?

RS-485 (derzeit bekannt als EIA/TIA-485) ist eine Standardschnittstelle der physikalischen Kommunikationsebene, ein Signalübertragungsverfahren, die 1. Ebene des OSI (Open System Interconnection) -Modell. RS-485 wurde entwickelt, um die physikalischen Fähigkeiten der RS-232-Schnittstelle zu erweitern.

Die serielle EIA-485-Verbindung erfolgt über ein zwei- oder dreiadriges Kabel: ein Datenkabel, ein Kabel mit invertierten Daten und häufig ein Nullkabel (Masse, 0 V). Auf diese Weise tauschen Sender und Empfänger Daten über ein Twisted-Pair-Kabel aus 22 oder 24 AWG Massivdrähten aus.

Die Hauptidee hier ist, ein Signal über zwei Drähte zu transportieren. Während ein Draht das Originalsignal überträgt, transportiert der andere seine inverse Kopie. Ein solches Übertragungsverfahren bietet eine hohe Beständigkeit gegenüber Gleichtaktstörungen. Das als Übertragungsleitung dienende Twisted-Pair-Kabel kann abgeschirmt oder nicht abgeschirmt sein..

2-Draht RS-485 Anschlussplan

Wie lange kann RS485 sein?

Das auf der RS-485-Schnittstelle aufgebaute Kommunikationsnetzwerk besteht aus Transceivern, die über ein verdrilltes Paar (zwei verdrillte Drähte) verbunden sind. Das Grundprinzip der RS-485-Schnittstelle ist die differentielle (symmetrische) Datenübertragung. Das heißt, ein Signal wird über zwei Drähte transportiert. Dabei überträgt eine Ader des Paares das Originalsignal und die andere transportiert seine inverse Kopie.

Durch die differentielle Signalübertragung besteht immer ein Potentialunterschied zwischen den Adern. Dies gewährleistet eine hohe Beständigkeit gegen Gleichtaktstörungen. Zusätzlich kann das Twisted Pair geschirmt sein, was den Schutz der übertragenen Daten gewährleistet. All dies ermöglicht das Senden von Daten über große Entfernungen mit relativ hohen Geschwindigkeiten, die 100 kbit/s bei 4000 Fuß .

4000 Fuß oder etwa 1200 Meter ist die maximale Kabellänge bei der RS-485-Kommunikation. Als allgemeine Richtlinie gilt jedoch, dass das Produkt aus Leitungslänge (in Metern) und Datenrate (in Bit pro Sekunde) nicht mehr als 108 betragen sollte. Beispielsweise erlaubt ein 20 Meter langes Kabel eine maximale Datenrate von 5 Mbit /s.

Was ist das RS485-Kommunikationsprotokoll?

Wenn die RS485-Kommunikationsleitung auf physischer Ebene betriebsbereit ist, ist es an der Zeit, über das Datenübertragungsprotokoll nachzudenken - eine Vereinbarung zwischen den Geräten des Systems über das Format der Übertragung von Datenpaketen.

Aufgrund der Natur der RS-485-Schnittstelle können RS-485-Geräte nicht gleichzeitig Daten senden und empfangen, da dies zu einem Konflikt zwischen den Sendern führt. Daher ist das deterministische Verhalten zwingend erforderlich, um Kollisionen von Datenpaketen zu vermeiden.

Beim RS485-Kommunikationsprotokoll werden die Befehle von dem als Master definierten Knoten gesendet. Alle anderen am Master angeschlossenen Knoten erhalten die Daten über RS485-Ports. Abhängig von den gesendeten Informationen antworten null oder mehr Teilnehmer auf der Leitung des Masters.

Allerdings ist diese Art der Kommunikation nicht die einzige Möglichkeit, Daten über das RS485-Protokoll auszutauschen. Es gibt einige andere Implementierungen von RS485-Netzwerken, bei denen jeder Knoten die Datenübertragung selbstständig starten kann. Allerdings ist das Risiko eines möglichen Datenverlustes in solchen Netzwerken höher.

RS-485-Kommunikation: Hauptmerkmale

Trotz der Vielzahl moderner alternativer Lösungen bleibt die RS-485-Technologie heute die Basis vieler Kommunikationsnetzwerke. Die Hauptvorteile der RS-485-Schnittstelle sind:

  • Zwei-Wege-Datenaustausch über ein verdrilltes Adernpaar;
  • Unterstützung für mehrere Transceiver, die an dieselbe Leitung angeschlossen sind, d.h. die Möglichkeit, ein Netzwerk zu erstellen;
  • Lange Kommunikationsleitung;
  • Hohe Übertragungsgeschwindigkeit.

Schauen wir uns nun die Hauptmerkmale der RS-485-Kommunikation genauer an::

Bidirektionale Halbduplex-Datenübertragung

Ein serieller Datenstrom kann in eine Richtung transportiert werden, die Datenübertragung zur anderen Seite erfordert die Verwendung eines Transceivers. Ein Transceiver (allgemein als „Treiber“ bezeichnet) ist ein Gerät oder eine elektrische Schaltung, die auf der Senderseite ein physikalisches Signal bildet.

Symmetrischer Kommunikationskanal

Zum Empfangen oder Senden von Daten sind zwei äquivalente Signalleitungen erforderlich. Die Leitungen dienen zum Datenaustausch in beide Richtungen (alternativ). Der symmetrische Kanal erhöht mit Hilfe eines Twisted-Pair-Kabels die Stabilität eines Signals deutlich und unterdrückt die vom Nutzsignal erzeugte elektromagnetische Strahlung.

Multipointing

Die RS-485-Kommunikationsleitung kann mit mehreren angeschlossenen Empfängern und Transceivern arbeiten. Gleichzeitig können ein Sender und mehrere Empfänger gleichzeitig an eine Kommunikationsleitung angeschlossen werden. Alle anderen anzuschließenden Sender sollten warten, bis die Kommunikationsleitung für die Datenübertragung frei ist.

Was ist das RS485-Modbus-Protokoll?

Modbus-Organisationslogo

Eines der Hauptmerkmale, das die RS485-Kommunikation von jeder anderen seriellen Kommunikation unterscheidet, ist das Format der ausgetauschten Daten. Während sich RS232-Geräte über Textprotokolle (ASCII) verbinden, verwenden die meisten RS485-Geräte Modbus.

Modbus ist ein serielles Kommunikationsprotokoll, das in Industriellen elektronischen Geräten weit verbreitet ist. Bei Modbus wird die Verbindung zwischen einem Master (Host) und Slaves (COM-basierte Geräte)* hergestellt. Modbus hilft dabei, auf die Konfiguration der Geräte zuzugreifen und die Maßnahmen auszulesen.

* Am 9. Juli 2020 ersetzte die Modbus Organization Master-Slave durch Client-Server um die Modbus-Kommunikation zu beschreiben, die gekennzeichnet wird durch die Kommunikation zwischen Client-Gerät(en), das die Kommunikation initiiert und Anfragen an Server-Geräte(s) stellt, die Anfragen verarbeiten und eine entsprechende Antwort zurückgeben (oder Fehlermeldung).

Der Datenaustausch wird von einem Host initiiert. Der Host kann seinen RS-485-Treiber selbstständig in den Sendemodus schalten, während die anderen RS485-Treiber (Slaves) im Empfangsmodus arbeiten. Damit ein Slave dem Host über die Kommunikationsleitung antwortet, sendet ihm der „Master“ einen speziellen Befehl, der dem vorgesehenen Gerät das Recht gibt, seinen Treiber für eine gewisse Zeit in einen Übertragungsmodus zu schalten.

Modbus ist eines der einfachsten Protokolle für die Interaktion von Geräten untereinander. Es ist gleichzeitig für Gerätehersteller einfach zu implementieren, was der Hauptgrund für seine Verbreitung ist, und gleichzeitig ist es für einen Techniker oder Programmierer schwierig, weil es alle Schwierigkeiten der finalen Implementierung, bei der diese mit mehrseitigen Tabellen von Registern und Variablen, ihren Adressen, verschiedenen Schreib- und Lesefunktionen und der Datenkonvertierung arbeiten muss, auf deren Schultern abwälzt.

RS485 vs RS232: Vergleich der seriellen Kommunikationsprotokolle

Die seriellen Kommunikationsprotokolle RS485 und RS232 werden seit über 50 Jahren verwendet und sind immer noch weit verbreitet in Unternehmen und Industrie. Die Erweiterung der Möglichkeiten des RS232-Standards war der Anstoß zur Entwicklung des RS485-Protokolls. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die beiden Standards.

Protokoll RS232 RS485
Protokolltyp Duplex Halbduplex
Signaltyp Unsymmetrisch Symmetrisch
Anzahl der Geräte 1 Sender und 1 Empfänger Bis zu 32 Sender und 43 Empfänger
Maximale Datenübertragung 19,2 Kbit/s für 15 Meter 10 Mbit/s für 15 Meter
Maximale Kabellänge Ungefähr 15,25 Meter bei 19,2 Kbit/s Ungefähr 1220 Meter bei 100 Kbit/s
Ausgangsstrom 500mA 250mA
Minimale Eingangsspannung +/- 3V 0,2V Differenz

Werfen wir nun einen Blick auf die Hauptunterschiede zwischen den beiden Protokollen.

Anzahl der Sender und Empfänger

Die serielle RS232-Schnittstelle dient zum Anschluss von zwei Geräten. Das Protokoll ermöglicht die Kommunikation zwischen einem einzelnen Sender und Empfänger. Über eine RS485-Schnittstelle können bis zu 32 serielle Geräte an einen Sender angeschlossen werden.

Die effektive Nutzung serieller Geräte erfordert oft die Konvertierung zwischen RS232-, RS485- und USB-Signalen. Dies ist teilweise auf die Konzentration der Hardwarehersteller auf die Bereitstellung von USB-Konnektivität anstelle von seriellen Anschlüssen auf Laptops und Desktop-Computern zurückzuführen. Die Konvertierung ermöglicht die Koexistenz älterer Geräte mit neuer Hardware ohne serielle Schnittstellen.

Einsatzdistanz

Geräte, die das RS232-Protokoll verwenden, sind auf eine Entfernung von 15 Metern zwischen Sender und Empfänger beschränkt, wobei gleichzeitig die maximale Datenübertragungsrate erreicht wird. Diese Länge kann erweitert werden, wenn langsamere Datenraten tolerierbar sind.

Die Reichweite wird beim RS485-Protokoll erheblich erhöht. Das Protokoll unterstützt maximale Datenraten bei einer Länge von 1200 Metern, was das RS485-Protokoll zu einer ausgezeichneten Wahl für die Kommunikation zwischen physisch entfernten Geräten macht.

Datenübertragungsgeschwindigkeit

Die mit einer RS232-Schnittstelle mögliche Übertragungsgeschwindigkeit beträgt 1Mb/s für eine Entfernung von bis zu 15 Metern. RS485 bietet höhere Geschwindigkeiten von bis zu 10Mb/s über eine Entfernung von 15 Metern. Bei einer maximalen Länge von 1200 Metern überträgt das RS485-Protokoll Daten mit 100 Kb/s.

Bedenken hinsichtlich elektrischer Störungen und Erdpotential

Eine RS232-Schnittstelle ist ein auf Spannungspegeln basierendes System und funktioniert optimal in Situationen, in denen es minimale Unterschiede im Erdpotential. Umgebungen mit hohem elektrischem Rauschen und veränderlichem Erdpotential beeinträchtigen die Fähigkeit von RS232, Daten effizient zu übertragen, und können zu Datenverlust oder -korruption führen.

Das RS485-Protokoll verwendet ein Differenzspannungssystem, das einen effektiven Betrieb in Umgebungen mit höheren elektrischen Rauschpegeln ermöglicht. Ein Nebenprodukt des Differenzspannungssystems ist die verlängerte Datenübertragungsdistanz, die höhere Übertragungsgeschwindigkeit und die niedrigere Spannungsnutzung bei RS485.

Häufig gestellte Fragen

Die RS-485-Schnittstelle (auch als EIA/TIA-485 bezeichnet) ist ein Standard der physikalischen Kommunikationsebene. Die physikalische Ebene ist der Kommunikationskanal und das Signalübertragungsverfahren (Ebene 1 des OSI Open System Interconnection Model).
RS (recommended standard - empfohlener Standard) wurde in den 60er Jahren von der Electronic Industries Association entwickelt, um die Kommunikation zwischen einem Modem und Computerterminals zu erleichtern.
4000 Fuß oder etwa 1200 Meter ist die maximale Kabellänge bei der RS-485-Kommunikation. Als allgemeine Richtlinie gilt jedoch, dass das Produkt aus Leitungslänge (in Metern) und Datenrate (in Bit pro Sekunde) nicht mehr als 108 betragen sollte.
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