RS-422 / RS-485 Industriestandards
Die seriellen Schnittstellen RS-422 und RS-485
Die Industriestandards TIA/EIA RS-422 (1994) und TIA/EIA RS-485 (1998) wurden von der Telecommunications Industry Association und Industries Alliance in den 90er Jahren erarbeitet. Beide Standards definieren eine Technik für eine weitestgehend störungsfreie Datenübermittlung, die es bis dato so nicht gab. Dabei werden nur Hardwaregrundlagen bzw. deren elektrische Eigenschaften (Bitübertragungsschicht) festgelegt, das Softwareprotokoll für die Datenübermittlung bleibt dagegen unabhängig. Im Laufe der darauffolgenden Jahre führte dies zu Weiterentwicklungen für viele moderne Schnittstellen wie USB, Profibus, CAN Bus, Ethernet etc.
Die Industriestandards ermöglichen komplexe Netzwerke oder Point to Point sowie Point to Multipoint Verbindungen. Diese Netzwerke werden allgemein als Feldbussysteme bezeichnet. Aktoren, Sensoren, Maschinen, Gateways etc. werden in Multipoint Bus-Netzwerken (Halbduplex RS-485 oder Vollduplex RS-422) miteinander verbunden und meist mit einem Server oder sog. Busmaster SPS (PLC) als Steuereinheit organisiert.
Elektromagnetische Verträglichkeit der RS-422 und RS-485 Schnittstellen
Wichtiges Merkmal bei den RS-422 und RS-485 Schnittstellen ist die gesteigerte elektromagnetische Verträglichkeit(EMV), wodurch die Störanfälligkeit der Geräte drastisch reduziert ist. Die EMV resultiert aus den Vorgaben beider Spezifikationen der TIA/EIA RS-422 (1994) und TIA/EIA RS-485 (1998). Diese weisen gegenüber anderen Übertragungsverfahren wesentliche Vorteile auf:
- Extrem zuverlässige Signalübertragung (symmetrisches / differentielles Übertragungsverfahren)
- Weitestgehende Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Störeinflüssen (Gleichtakt- und Gegentaktstörungen)
- Absorbierte Signalreflexionen durch Abschlusswiderstände (Impedanz oder Leitungsanpassung)
Symmetrisches / differentielles Signal-Übertragungsverfahren
Im Folgenden wird das symmetrische bzw. differentielle Übertragungsverfahren am Beispiel von RS-485 beschrieben. RS-485 nutzt das Halbduplex-Übertragungsverfahren und kann damit zeitversetzt in beide Richtungen Daten senden und empfangen. Für die Signal- bzw. Datenübertragung ist immer ein Adernpaar je Richtung erforderlich.
Die Grafik zeigt beispielhaft die Datensignale 101010 an einem RS-485 Adernpaar. Die rote Leitung TX+ sendet mit 5 V Ausgangsspannung (Nennspannung) eine logische 1 und mit 0 V eine logische 0 (nicht invertiert). Zeitgleich und gegenphasig sendet die blaue Leitung TX- das Signal mit 5 V logisch 0 und mit 0 V logisch 1 (invertiert). Die grünen Pfeile zeigen die an dem Adernpaar RX und TX resultierende Spannungsdifferenz. Der Empfänger bildet aus dieser Spannungsdifferenz wieder die Datenbits für 0 und 1.
Das Beispiel zeigt den Spannungsverlauf mit den folgenden definierten Spannungspegeln:
- A = Nennspannung (z. B. 5 V)
- B = Minimale Ausgangsspannung am Sender (1.5 V)
- C = Minimale Eingangsspannung am Empfänger (200mV)
Die Anschlüsse an den Geräten werden meist mit T/R+ und T/R- bezeichnet, wobei R für Receive und T für Transmit stehen. Die Plus- bzw. Minuszeichen bedeuten, dass man dort ein nicht invertiertes (+) bzw. invertiertes (-) Signal verwendet.
Achtung: Möglich sind auch die Bezeichnungen A-, A+ und B-, B+ oder D-, D+. Dafür gibt es jedoch keine verbindlich festgelegte Norm. Dadurch kann es dazu kommen, dass Anschlüsse an Geräten und Steckern zwar kompatibel, aber unterschiedlich beschriftet sind. Am Wichtigsten ist, dass Plus Plus ist und Minus Minus: D+ und B+ beispielsweise sind funktionsgleich.
Schutz vor Störeinflüssen (Gleichtakt- und Gegentaktstörungen)
Schutz vor Gleichtaktstörung
Die häufig auftretenden elektromagnetischen Störungen (EMI = electromagnetical interferences), wie Spannungsimpulse oder Spannungsschwankungen, verursachen die sog. Gleichtaktstörungen. Diese von außen auftretenden niederfrequenten Störungen wirken sich auch auf das Adernpaar aus. Durch die gegenphasige und symmetrische Signalübertragung jedoch bleibt die Spannungsdifferenz zwischen den Adernpaaren erhalten. Weitere Verbesserungen erreicht man mit gut geschirmten Kabeln. Diese verhindern die Ein- und Abstrahlung hochfrequenter Felder.
Hiermit vermeidet man Datenübertragungsfehler bei ungleichmäßigen Erdpotentialen, Masseschleifen oder Störungen durch elektrostatische Felder. Eine galvanische Trennung der RS-422/485 Leiter kann dabei mehrere kV ausgleichen und eignet sich besonders bei störanfälligen Umgebungen.
Schutz vor Gegentaktstörung
Gegentaktstörungen sind induktive Kopplungen zwischen den Adern in einem Kabel. Das sogenannte Übersprechen kann man durch verdrillte Adernpaare weitestgehend vermeiden.
Verdrillte Leiterpaare sind generell ein probates Mittel um induktive Störungen zu unterdrücken und kommen sowohl in der analogen als auch in der digitalen Signalübermittlung zum Einsatz. Auch hier wird der Schutz vor induktiven Störungen durch Abschirmungen und die Erdungen an beiden Kabelenden verbessert.
Impedanz- oder Leitungsanpassung
Mit Impedanz- oder Leitungsanpassung werden Signalauslöschung und Signalreflexionen verhindert. Man verwendet dazu Abschlusswiderstände an den Endpunkten der Leitungen. Damit können alle Signale eines Senders am Leitungsende reflexionsfrei durch einen Widerstand absorbiert werden.
- RS-485 erfordert an den beiden Endpunkten einer Leitung einen Abschlusswiderstand
- RS-422 erfordert nur am Leitungsende einen Abschlusswiderstand
Für die Leitungsanpassung kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Abschlusswiderstände müssen dem Wellenwiderstand der eingesetzten Leitungen entsprechen. In der Regel werden 120 Ohm Abschlusswiederstände oder BIAS Widerstände verwendet.
Einsatzgebiete
Der aktuellere TIA/EIA RS-485 Standard wird weitaus häufiger eingesetzt als der RS-422 Standard, zum Beispiel in der Industrie 4.0, Gebäudeautomatisierung oder für Smart Home Geräte (HomeMatic, Modbus, SmartBus G4, Link Network Protocol), Maschinen und Automatensteuerungen (BACNet, CC-Link, InterBus-S, Profibus-DP, DMX) etc. Auf diese Weise können weiterhin auch die Anforderungen an moderne Infrastrukturen erfüllt werden.
Produktbeispiele mit RS-422 / RS-485
Adapter USB 2.0 > 1 x Seriell RS-422/485 + Terminalblock
Mit diesem Adapter kann ein serielles Gerät, z. B. Drucker, Modem, IoT Hardware etc., über einen USB Typ-A Port angeschlossen werden.
Anschlüsse
Adapter:
1 x USB 2.0 Typ-A Stecker >
1 x Seriell RS-422/485 Sub-D 9 Pin Stecker
Terminalblock:
1 x Seriell RS-422/485 Sub-D 9 Pin Buchse >
1 x 6 Pin Terminalblock
Serieller Stecker mit Muttern
Chipsatz: FTDI
Konverter USB 2.0 zu Seriell RS-422/485 mit 3 kV Isolation
Dieser USB 2.0 zu seriell RS-422/485 Konverter bietet einen RS-422/485 Anschluss für Messgeräte, Drucker, IoT Geräte, Modbus etc. Mit der galvanischen Trennung via optischen Isolatoren werden Datenübertragungsfehler bei ungleichmäßigen Erdpotentialen, Masseschleifen oder Störungen durch Spannungspitzen verhindert. Der Konverter ist für die Hutschienenmontage geeignet.
Anschlüsse
Host: 1 x Mini USB 2.0 B Buchse
Gerät: 1 x RS-422/485 Terminalblock 5 Pin
3 kV optische Isolation
Maße (LxBxH): ca. 101 x 42 x 22 mm
Adapter USB 2.0 Typ-A Stecker zu 1 x Seriell RS-422/485 DB9
Dieser USB 2.0 Typ-A zu seriell Adapter bietet einen RS-485 Anschluss für Messgeräte, POS-Systeme, Drucker, Modems, IoT Geräte etc.
Anschlüsse
1 x USB 2.0 Typ-A Stecker >
1 x Seriell RS-422/485 DB9 Stecker mit Schrauben
Datentransferrate bis zu 921,6 Kbps
Signale: T/R+, T/R-, RXD+, RXD-, GND
Konverter 1 x Seriell RS-232 DB9 zu 1 x Seriell RS-485 • 15 kV ESD Schutz
Dieser RS-232 zu RS-485 Konverter eignet sich für alle seriellen Geräte z. B. an Maschinensteuerungen, Feldbussystemen, Messgeräten, Computern, Druckern etc. Der Konverter kann als Kupplung direkt zwischen den DB9 Anschlüssen ohne eine zusätzliche Spannungsversorgung verwendet werden.
Anschlüsse
1 x Seriell RS-232 DB9 Buchse mit Schrauben
1 x Seriell RS-485 DB9 Stecker mit Muttern
1 x RS-485 Terminalblock 4 Pin
Automatische Datenflusskontrolle
Adapter USB 2.0 zu Seriell RS-485 • 15 kV ESD Schutz • kompaktes serielles Steckergehäuse
Dieser USB 2.0 Typ-A zu seriell Adapter bietet einen RS-485 Anschluss für Messgeräte, POS-Systeme, Drucker, Modems, IoT Geräte etc. Der anwenderfreundliche RS-485 Stecker zeichnet sich durch seine geringen Abmessungen (39 x 33 x 14,7 mm) aus und bietet damit eine angenehme Handhabung an Geräteanschlüssen, Kabeldurchführungen, Patchpanels, etc.
Anschlüsse
1 x USB 2.0 Typ-A Stecker >
1 x Seriell RS-485 DB9 Stecker mit Schrauben
Datentransferrate bis zu 921,6 Kbps
Signale: T/R (A+), T/R (B-) und GND
Extender RS-232 DB9 Buchse • RJ45 Buchse zu RS-232 DB9 Stecker • RJ45 Buchse ESD Schutz • 1200 m Reichweite
Dieser RS-232 Extender mit zwei Konvertern und RJ45 Anschlüssen kann große Distanzen bis zu 1200 m zwischen RS-232 Geräten bidirektional und OS unabhängig überbrücken. Die differentielle Übertragungstechnik verhindert Datenfehler, die durch äußere Störeinflüsse oder unterschiedliche Erdpotentiale auftreten können. Zusätzliche Spannungsversorgungen an den Konvertern gewährleisten die Qualität der Datensignale. Der Extender verbindet Scanner, Messgeräte, Automaten, Computer, IOT-Geräte etc.
Anschlüsse
1 x Seriell RS-232 DB9 Buchse mit Schrauben >
1 x RJ45 Buchse
1 x Seriell RS-232 DB9 Stecker mit Muttern >
1 x RJ45 Buchse
±15 kV ESD Absicherung für alle seriellen Signale
Signale: RXD, TXD, CTS, RTS
Adapter USB 2.0 zu 4 x Seriell RS-422/485 • ESD Schutz
Mit diesem Adapter können bis zu vier serielle Geräte über einen USB Typ-A Port angeschlossen werden.
Anschlüsse
1 x USB 2.0 Typ-B Buchse >
4 x Seriell RS-422/485 DB9 Stecker
1 x 5 V DC Strombuchse
Automatisches Erkennen und Umschalten zwischen RS-422 und RS-485
±15 kV ESD Absicherung auf allen Signal Pins
Auch erhältlich mit
USB 2.0 zu 2 x Seriell RS-422/485Art. 87586
USB 2.0 zu 1 x Seriell RS-422/485Art. 87585
PCI Express Karte zu 2 x Seriell RS-422/485 • ESD Schutz
Diese PCI Express Karte erweitert den PC um zwei externe Serielle RS-422/485 Ports. Es können z. B. Scanner, Protokoll-Konverter, POS-Systeme, Infrarot -, IoT - Geräte etc. und unterschiedliche Modi verwendet werden. Die Karte unterstützt an beiden Anschlüssen den 2- und 4-Draht Betrieb sowohl für RS-422 als auch für RS-485 Geräte. Optional lassen sich die integrierten Abschlusswiderstände aktivieren und damit unerwünschte Signalstörungen vermeiden. Mit der im Lieferumfang enthaltenen Low Profile Blende lässt sich die Karte auch in einen Mini-PC einbauen.
Anschlüsse
intern: 1 x PCI Express x1, V2.0
extern: 1 x DB44 Buchse
Anschlusskabel: DB44 Stecker > 2 x Seriell RS-422/485 DB9 Stecker
RS-422 oder RS-485 Einstellung via Jumper
±15 kV ESD Absicherung auf allen Signal Pins
PCI Express Karte > 2 x Seriell RS-422/485 • ESD Schutz + Überspannungsschutz
Diese PCI Express Karte eignet sich für industrielle Feldbussysteme, Maschinensteuerungen, Konverter, Messdatenerfassungen etc. Durch einen umfangreichen Überspannungsschutz und den erweiterten Betriebstemperaturbereich bietet sich diese Karte in hohem Maß auch für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen an. Mit der mitgelieferten Low Profile Blende lässt sich die Karte in einen Mini-PC einbauen.
Anschlüsse
intern: 1 x PCI Express x1, V2.0
extern: 1 x DB25 Buchse
Anschlusskabel: 1 x DB25 Stecker > 2 x Seriell RS-422/485 DB9 Stecker
±15 kV ESD Absicherung an allen Datenleitungen
2 x Terminalblocks mit Überspannungsschutz, 600 W Spitzenimpuls