RS-485, RS-232 a RS-422: hlavní rozdíly

Jak se liší nesymetrická a diferenciální sériová rozhraní a jak je správně zapojit, zakončit a připojit

RS-232, RS-422 a RS-485 často sdílejí stejné konektory, objevují se ve stejných datasheetech a někdy se s nimi zachází jako se zaměnitelnými. Zaměnitelné nejsou. Zařízení, které bez problému funguje na krátkém kabelu RS-232, může selhat na 50 m dlouhé trase, a sběrnice RS-485, která v laboratorních podmínkách komunikuje, může po instalaci vedle silových kabelů ve strojovně ztrácet zprávy.

Rozdíly spočívají v tom, jak každé rozhraní reprezentuje signál na vodiči, kolik zařízení umožňuje a jaké požadavky klade na kabeláž a zapojení. Porozumění těmto bodům usnadňuje výběr správného rozhraní, jeho správné zapojení i rozpoznání nejčastějších příčin poruch v terénu.

Klíčové poznatky

• RS-232 je nesymetrické rozhraní typu bod-bod pro krátké vzdálenosti. RS-422 a RS-485 jsou diferenciální rozhraní, která přenášejí data po mnohem delších kabelech a výrazně lépe odolávají elektrickému rušení.
• RS-422 propojuje jeden vysílač až s 10 přijímači. RS-485 umožňuje více vysílačů na jedné sběrnici, až 32 jednotkových zátěží na segment a více při použití transceiverů se zlomkovou jednotkovou zátěží.
• Diferenciální rozhraní podporují rychlost až 10 Mb/s nebo délku kabelu kolem 1 200 m, ale ne obojí současně. Delší kabel znamená nižší přenosovou rychlost.
• Sběrnice RS-485 se zapojuje jako linie a zakončuje se na obou koncích. Pokud je potřeba externí předpětí, připojuje se v jednom bodě, a běžné neizolované instalace vedou navíc společný referenční vodič.
• RS-232 má standardizovaný pinout DB9. RS-422 a RS-485 ho nemají a označení A a B používají výrobci nejednotně, takže vždy rozhoduje dokumentace zařízení.
• Většina problémů v terénu vzniká v zapojení, zakončení, předpětí a zemnění, ne v samotných zařízeních.

‍

Nesymetrický a diferenciální přenos

RS-232 je nesymetrické. Každý signál vede jeden vodič a měří se vůči společné zemi. Jakékoli rušení, které vodič zachytí, nebo rozdíl zemních potenciálů mezi oběma zařízeními se přímo projeví v signálu vyhodnocovaném přijímačem.

RS-422 a RS-485 jsou diferenciální. Každý signál využívá pár vodičů a přijímač vyhodnocuje pouze rozdíl napětí mezi nimi. Rušení, které působí na oba vodiče krouceného páru podobně, diferenciální přijímač do značné míry potlačuje, protože vyhodnocuje rozdíl napětí mezi vodiči. To je hlavní důvod, proč diferenciální rozhraní dosahují mnohem větších vzdáleností a spolehlivě fungují i v elektricky zarušeném prostředí.

RS-232, RS-422 a RS-485 definují pouze elektrickou vrstvu. Stanovují napětí, zátěže a signalizaci, nikoli formát dat. Protokoly jako Modbus RTU běží nad nimi.

RS-232: bod-bod na krátké vzdálenosti

RS-232 propojuje právě dvě zařízení. V klasické podobě je na jedné straně koncové datové zařízení (DTE), například počítač, a na druhé ukončující zařízení datového okruhu (DCE), například modem nebo přístroj. Data se posílají po oddělených vysílacích a přijímacích vodičích, takže oba směry mohou fungovat současně.

Úrovně signálu jsou bipolární: logická 1 odpovídá zápornému napětí a logická 0 kladnému, přičemž úrovně vysílače se pohybují mezi 3 V a 15 V v obou polaritách. Protože je signál vztažený k zemi, délka kabelu je omezená, především kapacitou kabelu a přenosovou rychlostí. Běžná praktická orientačná hodnota je okolo 15 m, dosažitelná vzdálenost ale závisí na kabelu a instalaci. RS-232 bývá běžné u konfiguračních portů, servisních rozhraní a starších přístrojů.

RS-422: diferenciální, jeden vysílač a více přijímačů

RS-422 používá diferenciální páry a podporuje přenosovou rychlost až 10 Mb/s a délku kabelu až kolem 1 200 m (4 000 ft). Podporuje jeden vysílač a více přijímačů na jednom diferenciálním páru, celkem až 10 přijímačů. Pro obousměrnou komunikaci bod-bod lze použít dva páry, což umožňuje plně duplexní provoz.

RS-422 se hodí pro spojení bod-bod na dlouhé vzdálenosti nebo pro jeden vysílač komunikující s více přijímači. Nepodporuje více vysílačů sdílejících jeden pár.

RS-485: vícebodová sběrnice

RS-485 vychází z RS-422, s jedním zásadním rozdílem: jeho vysílače lze vypnout, když nevysílají. Díky tomu se může na stejném páru vodičů střídat více zařízení, a RS-485 je tak skutečnou vícebodovou sběrnicí. Rozšiřuje také rozsah souhlasného napětí na −7 V až +12 V, takže zařízení snesou větší rozdíly zemních potenciálů.

Standardní segment RS-485 podporuje až 32 jednotkových zátěží. Mnoho moderních transceiverů představuje jen zlomek jednotkové zátěže, takže k segmentu lze připojit 64, 128 nebo až 256 zařízení podle použitých transceiverů. RS-485 je nejběžnější fyzickou vrstvou pro Modbus RTU a pro mnoho průmyslových zařízení a měřidel.

Vzdálenost, rychlost a počet zařízení

Hlavní hodnoty RS-422 a RS-485, až 10 Mb/s a až kolem 1 200 m, nelze dosáhnout současně. Maximální rychlost platí pro krátké kabely kolem 12 m, maximální délka pak při rychlosti kolem 100 kb/s. V praxi závisí dosažitelná kombinace na kabelu, jeho kapacitě, transceiverech a elektrickém prostředí.

U běžných instalací měření a automatizace tento kompromis málokdy představuje problém. Zařízení Modbus RTU běžně pracují rychlostí od 9 600 do 115 200 Bd. Vhodná rychlost závisí na délce kabelu, transceiverech a podmínkách instalace.

Počet zařízení závisí na elektrické zátěži, nejen na adresaci. Protokol může umožňovat až 247 adres, segment sběrnice ale stále musí zůstat v mezích jednotkové zátěže svých transceiverů.

2vodičové a 4vodičové zapojení

RS-485 se nejčastěji instaluje jako 2vodičová sběrnice. Jeden kroucený pár přenáší data oběma směry a zařízení se ve vysílání střídají. Jde o poloduplexní komunikaci, kterou používá například Modbus RTU.

4vodičová instalace využívá dva páry s odlišnými rolemi. V typickém uspořádání master a slave vysílá master po jednom páru k přijímačům všech zařízení slave, zatímco zařízení slave vysílají po druhém, sdíleném páru zpět k přijímači masteru. Na zpětném páru smí v každém okamžiku vysílat jen jedno zařízení slave. Master tak může současně vysílat i přijímat, zařízení slave se ale stále střídají.

V běžných neizolovaných instalacích se vedle datových párů vede také společný referenční vodič, který udržuje transceivery v povoleném rozsahu souhlasného napětí. Běžné 2vodičové zapojení RS-485 používá datový pár a společný vodič, 4vodičové zapojení dva datové páry a společný vodič. Izolovaná rozhraní mohou vyžadovat jiné řešení zemnění.

Sběrnice by měla být zapojena jako linie, vedená od jednoho zařízení k dalšímu. Hvězdicová a stromová topologie i dlouhé odbočky k jednotlivým zařízením vytvářejí odrazy signálu, které mohou poškodit data.

Zakončení, předpětí, stínění a zemnění

Zakončovací odpor na každém fyzickém konci sběrnice přizpůsobuje impedanci kabelu a brání odrazům signálu. Běžná je hodnota 120 Ω, odpovídající charakteristické impedanci typického krouceného páru, zakončení ale musí odpovídat kabelu a dokumentaci systému.

Pro instalace Modbus popisuje specifikace Modbus over Serial Line vlastní varianty zakončení, včetně 150 Ω nebo kombinace odporu 120 Ω a sériového kondenzátoru. Zakončení patří pouze na oba konce linie, ne ke každému zařízení.

Rezistory předpětí sběrnice (bias), označované také jako fail-safe bias nebo polarizace linky, drží sběrnici v definovaném klidovém stavu, když žádné zařízení nevysílá. Bez nich může být napětí na nečinné lince nedefinované a přijímače mohou šum vyhodnotit jako data.

Pokud je externí předpětí potřeba, mělo by být realizováno v jednom místě sběrnice. Specifikace Modbus over Serial Line uvádí pro své zapojení hodnoty pull-up a pull-down rezistorů 450 až 650 Ω. Některé moderní transceivery mají vestavěné fail-safe chování, proto je potřebu externího předpětí nutné ověřit v dokumentaci zařízení.

Pro spolehlivý přenos se používá kroucený pár, který pomáhá omezovat vliv elektromagnetického rušení. Stínění může odolnost dále zvýšit, zejména v prostředí s vyšší úrovní rušení. Stínění a zemnění by se měly řídit pokyny výrobce zařízení k EMC a instalaci.

V některých instalacích se stínění uzemňuje v jednom bodě, aby se omezily nízkofrekvenční proudy zemních smyček, jiné systémy naopak vyžadují propojení na obou koncích. Stínění kabelu nesmí nahrazovat signálový referenční vodič.

Pinout: DB9 a RJ45

Pro RS-232 má 9pinový konektor DE-9, běžně nazývaný DB9, standardizované přiřazení pinů podle TIA-574. Z pohledu zařízení DTE jsou tři zásadní piny: pin 2 (příjem dat, RXD), pin 3 (vysílání dat, TXD) a pin 5 (signálová zem). Zbývající piny nesou signály řízení toku a ovládání modemu. Při přímém propojení dvou zařízení DTE kříží null-modem kabel vysílací a přijímací vodiče.

RS-422 a RS-485 nemají standardizovaný pinout konektoru. Normy definují elektrické vlastnosti, ne konektory, takže přiřazení na DB9, RJ45 i šroubových svorkách se u výrobců liší. Specifikace Modbus over Serial Line definuje pro zařízení Modbus jedno konkrétní přiřazení RJ45, s D1 na pinu 4, D0 na pinu 5 a společným vodičem na pinu 8. Jde o přiřazení podle Modbus, ne o obecný pinout RS-485, a mnoho zařízení RS-485 používá jiné piny.

Další zdroj nejasností představují názvy signálů. Specifikace Modbus používá D0 pro invertující a D1 pro neinvertující vodič. Mnoho výrobců označuje vodiče A a B, případně + a −, a přiřazení A a B se nepoužívá jednotně. Rozhodující je vždy dokumentace konkrétního zařízení, ne samotný popisek.

Časté chyby v terénu

Většina problémů s RS-485 v terénu jsou chyby zapojení, ne poruchy zařízení:

• Prohozené datové vodiče: kvůli nejednotnému značení A a B patří zkřížené vodiče k nejčastějším příčinám, proč sběrnice nekomunikuje
• Zakončení na špatném místě: chybějící zakončení na koncích nebo zakončení zapnuté u každého zařízení zkresluje signál
• Chybějící nebo zdvojené předpětí: bez předpětí zůstává klidová linka nedefinovaná tam, kde ji transceivery potřebují, a více sítí předpětí sběrnici přetěžuje
• Nevhodná topologie: hvězdicové zapojení a dlouhé odbočky způsobují odrazy, které se projevují jako občasné chyby
• Chybějící společná reference: připojení pouze datového páru může neizolovaná zařízení dostat mimo rozsah souhlasného napětí, zejména mezi samostatnými rozvaděči nebo budovami
• Stínění použité jako signálová reference: stínění kabelu nenahrazuje společný vodič a zemnění by se mělo řídit pokyny výrobce
• Příliš dlouhý kabel RS-232: spojení RS-232, které funguje na stole, může selhat, jakmile se kabel v instalaci prodlouží

‍

K tomu se přidávají chyby konfigurace. Přenosová rychlost, parita a stop bity se musí shodovat u všech zařízení a v protokolu jako Modbus musí být správně i mapy registrů, jak vysvětluje článek Modbus RTU vs TCP: Vše, co potřebujete vědět. Čím jednodušší je konfigurace na místě, tím méně takových chyb vzniká, jak popisuje článek o jednoduché konfiguraci IoT v terénu.

Kdy dává převodník smysl

Převodník umožňuje propojit zařízení s odlišnými rozhraními. Typickým případem je zařízení s portem RS-232, které má komunikovat na delší vzdálenost nebo se připojit k vícebodové sběrnici. Převodník RS-232 na RS-485 přizpůsobí elektrickou signalizaci, zařízení ale stále musí používat kompatibilní nastavení sériové linky a protokol vhodný pro výsledné spojení.

Jiným případem je zařízení RS-485, které je potřeba odečítat na dálku bez kabeláže do centrálního systému. Převodník zde čte data na lince RS-485 a posílá je bezdrátovou sítí. Takto pracují převodníky ACRIOS pro Modbus do LoRaWAN a Modbus do NB-IoT se zařízeními Modbus RTU a Modbus ASCII na RS-485.

Přenosovou rychlost lze nastavit od 300 do 115 200 Bd, jeden převodník dokáže odečítat až 96 zařízení na jedné lince a mapa registrů každého zařízení se definuje v knihovně zařízení přes skriptovací rozhraní Lua. Verze s pomocným napájením mohou připojený senzor RS-485 napájet napětím 5 až 24 V DC. Více o RS-485 vedle M-Bus a wM-Bus v článku M-Bus, wM-Bus a RS-485: Přehled technologií.

Které rozhraní se hodí kam

RS-232 zůstává praktickou volbou pro krátká spojení bod-bod, například servisní a konfigurační porty. RS-422 se hodí pro dlouhá spojení bod-bod nebo pro jeden vysílač s více posluchači. RS-485 je standardní volbou tam, kde více zařízení sdílí jeden kabel na delší vzdálenosti, a proto je typickou fyzickou vrstvou pro měřidla, senzory a řídicí jednotky ve strojovnách a rozvodných skříních.

Ať se použije kterékoli rozhraní, spolehlivá komunikace závisí méně na samotné normě a více na instalaci: správném kabelu, liniové topologii, správném zakončení a předpětí a zemnění podle dokumentace zařízení.

Slovníček užitých pojmů

• Diferenciální přenos: signalizace po páru vodičů, při které přijímač vyhodnocuje pouze rozdíl napětí mezi nimi
• DTE a DCE: koncové datové zařízení a ukončující zařízení datového okruhu, dvě role zařízení v klasickém spojení RS-232
• Jednotková zátěž (unit load): míra elektrické zátěže, kterou jeden přijímač představuje pro sběrnici RS-485, používaná k výpočtu počtu zařízení na segmentu
• Kroucený pár: dva vodiče stočené k sobě tak, aby vnější rušení působilo na oba stejně
• Nesymetrický přenos: signalizace, při které každý signál vede jeden vodič a měří se vůči společné zemi
• Plně duplexní provoz: komunikace, při které mohou oba směry vysílat současně
• Poloduplexní provoz: komunikace, při které se zařízení ve vysílání po stejných vodičích střídají
• Rezistory předpětí (bias): dvojice pull-up a pull-down rezistorů, která drží sběrnici RS-485 v definovaném klidovém stavu, když žádné zařízení nevysílá
• Souhlasné napětí (common-mode): průměrné napětí obou vodičů diferenciálního páru vůči zemi, které musí přijímač snést v rámci svého rozsahu
• Zakončovací odpor: odpor na každém konci sběrnice, který přizpůsobuje impedanci kabelu a brání odrazům signálu