RS-232 vs. RS-422 vs. RS-485, was ist der Unterschied?

Für viele junge Menschen mag serielle Kommunikation heute ein veralteter Begriff sein. Dennoch werden einige der gängigsten Standards wie RS-232 , RS-422 und RS-485 in der industriellen Kommunikation weiterhin häufig eingesetzt. Daher haben wir diesen Artikel verfasst, um Einsteigern das Verständnis dieser Standards zu erleichtern und die Unterschiede anhand eines detaillierten Vergleichs aufzuzeigen.

Nun lasst uns beginnen.

Was ist RS-232?

Die RS-232-Schnittstelle entspricht dem von der Electronic Industries Alliance (EIA) festgelegten Standard für serielle Datenkommunikation. Ihre ursprüngliche Bezeichnung war EIA-RS-232 (oft abgekürzt als 232 oder RS232). Sie wird häufig zum Anschluss serieller Peripheriegeräte an Computer, zum Verbinden von Kabeln sowie in mechanischen, elektrischen, Signal- und Übertragungsprozessen eingesetzt.

Der RS-232-Standard spezifiziert Datenübertragungsraten von 50, 75, 100, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 und 19200 Bit pro Sekunde (Baud).

Was sind die Eigenschaften von RS-232?

RS-232 ist eine der gängigsten seriellen Kommunikationsschnittstellen. Da der RS-232-Schnittstellenstandard früher entstanden ist, weist er zwangsläufig einige Schwächen auf, hauptsächlich die folgenden vier Punkte:

#1: Hoher Schnittstellensignalpegel

Der Signalpegel der Schnittstelle ist hoch, was die Schnittstellenschaltungschips leicht beschädigen kann. Die Spannung an jeder Signalleitung der RS-232-Schnittstelle folgt einem negativen logischen Verhältnis.

Logisch „1“ entspricht -3 V bis -15 V; logisch „0“ entspricht +3 V bis +15 V, mit einer Störfestigkeit von 2 V. Der Empfänger muss Signale über +3 V als logisch „0“ und Signale unter -3 V als logisch „1“ erkennen. TTL-Pegel hingegen verwenden +5 V für logisch „High“ und 0 V für logisch „Low“. Da TTL nicht mit TTL-Pegeln kompatibel ist, wird eine Pegelwandlungsschaltung benötigt, um eine Verbindung zu TTL-Schaltungen herzustellen.

#2: Niedrige Übertragungsrate

Die Übertragungsrate ist niedrig. Bei asynchroner Übertragung beträgt die Bitrate 20 kbit/s; daher kann die integrierte Programmbaudrate auf einem 51-CPLD-Entwicklungsboard nur 19200 erreichen, was auch der Grund für diese Einschränkung ist.

#3: Schwache Störfestigkeit

Die RS-232-Schnittstelle nutzt eine Signalleitung und eine Rückleitung (gemeinsame Masse) für eine Übertragung mit gemeinsamer Masse. Diese Übertragung ist anfällig für Gleichtaktstörungen, was zu einer geringen Störfestigkeit führt.

#4: Kurze Übertragungsdistanz

Die Übertragungsdistanz ist begrenzt. Die maximale Entfernung beträgt 50 Fuß (etwa 15 Meter), tatsächlich werden aber nur etwa 15 Meter erreicht.

Was ist RS-485?

Wenn die Kommunikationsdistanz von mehreren zehn Metern bis zu mehreren Kilometern reichen muss, findet der serielle RS-485-Bus breite Anwendung. RS-485 nutzt symmetrische Übertragung und differentiellen Empfang und ist daher in der Lage, Gleichtaktstörungen zu unterdrücken.

Neben der hohen Empfindlichkeit des Bus-Transceivers (er kann Spannungen bis hinunter zu 200 mV erfassen) kann er auch Übertragungssignale aus einer Entfernung von über einem Kilometer empfangen.

RS-485 arbeitet im Halbduplex-Modus, d. h. es kann sich immer nur ein Punkt im Sendezustand befinden. Daher muss die Übertragungsschaltung durch ein Freigabesignal gesteuert werden.

Was sind die Eigenschaften von RS-485?

RS-485 ermöglicht die Mehrpunktverbindung und spart dadurch viele Signalleitungen. Über RS-485 lässt sich ein Netzwerk bilden, um ein verteiltes System zu realisieren, das die Parallelschaltung von bis zu 32 Treibern und 32 Empfängern erlaubt. Der neue RS-485-Standard behebt die Schwächen von RS-232 und weist folgende Merkmale auf:

• Elektrische Eigenschaften : Logisch „1“ wird durch eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen von +2 V bis +6 V dargestellt; logisch „0“ durch eine Spannungsdifferenz von -6 V bis -2 V. Der Signalpegel der Schnittstelle ist niedriger als bei RS-232-C, wodurch die Gefahr einer Beschädigung der Schnittstellenschaltung verringert wird. Dieser Pegel ist mit TTL-Pegeln kompatibel und ermöglicht eine einfache Anbindung an TTL-Schaltungen.

• Maximale Datenübertragungsrate : 10 Mbit/s

• Störfestigkeit : Die RS-485-Schnittstelle kombiniert einen symmetrischen Treiber mit einem Differenzempfänger und bietet so eine starke Gleichtaktunterdrückung und eine gute Störfestigkeit.

• Maximale Übertragungsdistanz : Die maximale Übertragungsdistanz für die RS-485-Schnittstelle beträgt 4000 Fuß (ca. 1219 Meter) und kann bis zu 3000 Meter erreichen.

• Multi-Drop-Fähigkeit : Die RS-232-C-Schnittstelle erlaubt nur einen Transceiver am Bus (Single-Drop-Fähigkeit). Im Gegensatz dazu ermöglicht die RS-485-Schnittstelle bis zu 128 Transceiver am Bus (Multi-Drop-Fähigkeit). Die Verwendung einer einzigen RS-485-Schnittstelle ermöglicht den schnellen Aufbau eines Netzwerks von Benutzergeräten.

Was ist RS-422?

Der vollständige Name des RS-422-Standards lautet „Elektrische Eigenschaften symmetrischer digitaler Schnittstellenschaltungen“ und definiert die Eigenschaften der Schnittstellenschaltung. Dieser Standard beinhaltet eine Signalmasse, sodass insgesamt fünf Leitungen benötigt werden.

Da der Empfänger eine hohe Eingangsimpedanz aufweist und der Sendetreiber eine stärkere Treiberleistung als RS232 besitzt, können bis zu 10 Empfangsknoten an dieselbe Übertragungsleitung angeschlossen werden.

Es gibt ein Master-Gerät (Master) und die übrigen Geräte sind Slave-Geräte (Slave). Slave-Geräte können nicht miteinander kommunizieren, daher unterstützt RS-422 die bidirektionale Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikation. Die Eingangsimpedanz des Empfängers beträgt 4 kΩ, die maximale Belastbarkeit am Sender beträgt somit 10 × 4 kΩ + 100 Ω (Abschlusswiderstand).

Was sind die Eigenschaften von RS-422?

Da die RS-422-Vierdrahtschnittstelle separate Sende- und Empfangskanäle verwendet, ist keine Steuerung der Datenrichtung erforderlich. Jeglicher notwendige Handshake zwischen Geräten kann softwareseitig (XON/XOFF-Handshake) oder hardwareseitig (mittels zweier separater verdrillter Adernpaare) implementiert werden.

• Die maximale Übertragungsdistanz für RS-422 beträgt 4000 Fuß (ca. 1219 Meter), und die maximale Übertragungsrate beträgt 10 Mb/s.

• Die Länge des symmetrischen verdrillten Adernpaares ist umgekehrt proportional zur Übertragungsrate; die maximale Übertragungsdistanz ist nur bei Raten unter 100 kbit/s möglich. Die höchste Übertragungsrate lässt sich nur über sehr kurze Distanzen erzielen. Typischerweise beträgt die maximal erreichbare Übertragungsrate auf einem 100 Meter langen verdrillten Adernpaar lediglich 1 Mbit/s.

• RS-422 benötigt einen Abschlusswiderstand, dessen Widerstandswert in etwa der charakteristischen Impedanz des Übertragungskabels entsprechen sollte. Bei Kurzstreckenübertragungen (üblicherweise unter 300 Metern) ist kein Abschlusswiderstand erforderlich. Der Abschlusswiderstand wird am anderen Ende des Übertragungskabels angeschlossen.

RS-422 vs. RS-485 – Was ist der Unterschied?

RS-422- und RS-485-Schaltungen funktionieren nach demselben Prinzip. Sie senden und empfangen differenziell und benötigen keine digitale Masse. Der Differenzialbetrieb ist die grundlegende Voraussetzung für die Übertragung großer Entfernungen bei gleicher Datenrate.

Das ist der eigentliche Unterschied zwischen RS-422/RS-485 und RS232. Da RS232 ein einseitiges Ein- und Ausgangssystem ist, benötigt es für den Duplexbetrieb mindestens drei Leitungen (digitale Masse, Sendeleitung und Empfangsleitung für die asynchrone Übertragung), und es können weitere Steuerleitungen für Funktionen wie die Synchronisierung hinzugefügt werden.

• RS-422 kann im Vollduplex-Modus (gleichzeitiges Senden und Empfangen) mit zwei Paaren verdrillter Drähte betrieben werden.

• RS-485 kann nur im Halbduplex-Modus betrieben werden (Senden und Empfangen gleichzeitig sind nicht möglich), benötigt aber nur ein Paar verdrillter Drähte.

• Sowohl RS-422 als auch RS-485 können über 1200 Meter mit 19 kbps übertragen. Neue Transceiver ermöglichen den Anschluss von Geräten an die Leitung.

Die elektrischen Eigenschaften von RS-422 entsprechen denen von RS-485. Der Hauptunterschied besteht darin:

• RS-422 verfügt über vier Signalleitungen: zwei zum Senden (Y, Z) und zwei zum Empfangen (A, B). Da Senden und Empfangen bei RS-422 getrennt sind, kann es gleichzeitig senden und empfangen (Vollduplex).

• RS-485 verfügt über zwei Signalleitungen: Senden und Empfangen werden gemeinsam genutzt.

Was ist RS-423?

RS-423 (RS/EIA/TIA-423) ist ein serieller Kommunikationsstandard mit überlegenen Eigenschaften gegenüber RS-232. Er definiert eine unsymmetrische (Single-Ended) Schnittstelle, ähnlich wie RS-232, mit einem unidirektionalen Sendertreiber, der den Anschluss von bis zu 10 Empfängern ermöglicht. Typischerweise wird er mittels integrierter Schaltungstechnik für den seriellen Binärsignalaustausch zwischen DTE (Digital Telecomputing Equipment) und DCE (Digital Telecomputing Equipment) realisiert.

• RS-422 unterstützt Mehrfachverbindungen, während RS-423 nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen unterstützt.

• RS-422 ist für den direkten Anschluss intelligenter Geräte konzipiert.

• RS-423 soll RS-232 erweitern und als Vermittler zwischen RS-422 und RS-232 fungieren.

Sowohl RS-423 als auch RS-232 haben den Nachteil gemeinsam, dass sie Geräte mit gemeinsamer Masse verwenden, was die Kommunikationsqualität beeinträchtigen und potenziell zu Kommunikationsausfällen führen kann, deren Ursache oft schwer zu ermitteln ist.

In dieser Hinsicht sind RS-422, RS-485 und Ethernet auf Basis von Twisted-Pair-Verbindungen überlegen. RS-423 ist aufgrund seiner Nachteile in der Industrie nicht weit verbreitet.

Worin besteht der Unterschied zwischen RS-232, RS-422 und RS-485?

• RS232 ist Vollduplex, RS485 ist Halbduplex und RS422 ist Vollduplex.

• RS485 und RS232 sind lediglich physikalische Kommunikationsprotokolle (Schnittstellenstandards); RS485 ist ein differenzieller Übertragungsmodus, RS232 ein unsymmetrischer Übertragungsmodus, die Kommunikationssoftware unterscheidet sich jedoch nicht wesentlich.

• PCs sind bereits mit RS232 ausgestattet und können direkt verwendet werden. Falls eine RS485-Kommunikation benötigt wird, schließen Sie einfach einen RS232-zu-RS485-Konverter an den RS232-Anschluss an; eine Softwareänderung ist nicht erforderlich.

Sehen RS232/RS422/RS485-Schnittstellen unterschiedlich aus?

• Es handelt sich in der Regel um DB9-Schnittstellen; es gibt aber auch andere Typen, oder Sie müssen möglicherweise die interne Verdrahtung überprüfen, um festzustellen, ob es sich um RS232, RS422 oder RS485 handelt.

• RS232 ist eine Standardschnittstelle, eine D-Subminiatur-9-Pin-Schnittstelle (DB9). Die Signaldefinitionen für angeschlossene Geräte sind einheitlich. Die Signaldefinitionen lauten wie folgt:
  (Hinweis: Im Originaltext wurde wahrscheinlich ein Pinbelegungsdiagramm erwartet, das jedoch nicht im Dokument enthalten war. Daher wurden die spezifischen Pinbelegungen in der Übersetzung weggelassen.)

Da PCs standardmäßig in der Regel nur über eine RS232-Schnittstelle verfügen, gibt es zwei Möglichkeiten, eine RS485-Schaltung für einen PC-Hostcomputer zu erhalten:

1. Verwenden Sie einen RS232/RS485-Konverter, um das RS232-Signal vom seriellen Port des PCs in ein RS485-Signal umzuwandeln. In komplexen Industrieumgebungen empfiehlt sich der Einsatz isolierter Produkte mit Überspannungsschutz.

2. Verwenden Sie eine PCI-Multi-Seriell-Port-Karte, auf der Sie direkt eine Erweiterungskarte auswählen können, die RS485-Signale ausgibt.

Der Computer verbindet sich über einen RS232-zu-RS485-Konverter mit mehreren 485-Geräten (Zutrittskontrollsystemen) und fragt die Geräte am Bus ab.

Die Verdrahtungsbezeichnungen lauten 485+ und 485- und entsprechen den Anschlüssen 485+ und 485- am Gerät (Controller).

• Kommunikationsdistanz

  Die theoretische maximale Entfernung zwischen dem entferntesten Gerät (Controller) und dem Computer beträgt 1200 Meter. Wir empfehlen, die Entfernung unter 800 Metern, optimalerweise unter 300 Metern, zu halten.
  Bei zu großer Entfernung kann ein 485-Repeater (Extender) eingesetzt werden (bitte von einem professionellen Hersteller beziehen; der Repeater wird in der Mitte oder am Anfang des Busnetzes platziert – siehe Bedienungsanleitung des Herstellers). Theoretisch kann ein Repeater die Entfernung auf bis zu 3000 Meter verlängern.

• Tragfähigkeit

  Wie viele Geräte (Controller) kann ein 485-Bus übertragen? Dies hängt vom verwendeten Kommunikationschip im Controller und im 485-Konverter ab.
  Gängige Spezifikationen sind 32, 64, 128 und 256 Einheiten. Dies ist ein theoretischer Wert. In der Praxis kann die tatsächliche Anzahl der Lasten je nach Umgebungsbedingungen, Kommunikationsdistanz und anderen Faktoren abweichen. Die Controller und Konverter der Firma Weigeng sind für 256 Einheiten ausgelegt, wir empfehlen jedoch, die Anzahl der Geräte pro Bus auf maximal 80 zu beschränken.
  Verwenden Sie einen 485-Kommunikationsbus (mit verdrillten Adernpaaren oder einem Adernpaar eines Netzwerkkabels). Bei Verwendung herkömmlicher Kabel (nicht verdrillt) treten erhebliche Störungen auf, die Kommunikation ist instabil und kann sogar vollständig ausfallen.
  Alle Controller-Geräte müssen in Reihe geschaltet werden; Sternschaltungen oder Verzweigungen sind nicht zulässig. Bei Sternschaltungen oder Verzweigungen treten sehr hohe Störungen auf, die Kommunikationsqualität ist schlecht und die Übertragung kann fehlschlagen.

Controller Area Network (CAN)

CAN ist ein in den 1980er-Jahren von Bosch eingeführtes Netzwerkkommunikationsprotokoll für Fahrzeuge, das in der Automobilindustrie und der industriellen Steuerungstechnik weit verbreitet ist. Zu den Hauptmerkmalen dieses Protokolls gehören:

• Elektrische Eigenschaften : CAN verwendet auch Differenzsignale. Eine Spannungsdifferenz von etwa 2 V zwischen den beiden Leitungen (CAN_H und CAN_L) repräsentiert den logischen „rezessiven“ Zustand (logische „1“), während der logische „dominante“ Zustand (logische „0“) eine Spannungsdifferenz nahe 0 V aufweist.

• Kommunikationsmodus : Es unterstützt die Mehrpunktkommunikation mit einer Multi-Master-Struktur, verwendet einen Arbitrierungsmechanismus zur Behandlung von Buskonflikten und unterstützt sowohl Hochgeschwindigkeits- (CAN High Speed) als auch Niedriggeschwindigkeitsmodi (CAN Low Speed).

• Übertragungsdistanz : Bei korrekter Verdrahtung kann die Übertragungsdistanz eines CAN-Busses 10 km (High-Speed-CAN) oder mehrere Kilometer (Low-Speed-CAN) erreichen.

• Anwendung : Hauptsächlich eingesetzt in Fahrzeugelektroniksystemen und industriellen Automatisierungssteuerungssystemen.

Transistor-Transistor-Logik (TTL)

TTL bezeichnet einen Logikpegelstandard, der üblicherweise für die Kommunikation innerhalb oder zwischen integrierten Schaltungen über kurze Distanzen verwendet wird und selbst kein Kommunikationsstandard ist. Zu den Hauptmerkmalen dieses Standards gehören:

• Elektrische Eigenschaften : TTL-Pegelsignale sind typischerweise so definiert, dass logisch „1“ ungefähr +5 V (typisch) und logisch „0“ nahe 0 V entspricht. Die Signalamplitude ist relativ klein.

• Kommunikationsmodus : TTL-Pegel werden primär für Schnittstellen auf Chipebene verwendet, wie z. B. UART-, SPI- und I²C-Signalübertragungsschnittstellen.

• Übertragungsdistanz : Da TTL-Pegelsignale schnell abklingen, eignen sie sich nicht für die Übertragung über große Entfernungen und sind üblicherweise auf wenige Zentimeter bis wenige Meter begrenzt.

• Anwendung : TTL-Pegel werden häufig für die interne Kommunikation in eingebetteten Systemen und zwischen integrierten Schaltkreisen auf Computer-Motherboards verwendet.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Was ist UART?

UART steht für Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (universeller asynchroner Empfänger-Sender). Es handelt sich um eine serielle Schnittstellentechnologie zur seriellen Datenübertragung. Dabei wandelt eine Schaltung parallele Daten in serielle Daten für die Kommunikation um und wandelt serielle Daten für den Empfänger wieder in parallele Daten zurück.

Wie lassen sich Gleichtaktstörungen auf der RS-485-Schnittstelle beseitigen?

Gleichtaktstörungen werden typischerweise durch folgende Methoden beseitigt:

• Verwenden Sie ein geschirmtes, verdrilltes Zweidrahtkabel und achten Sie auf eine gute Erdung.

• In Bereichen mit starken elektrischen Feldern sollte die Verwendung von verzinkten Schutzrohren zur Abschirmung erwogen werden.

• Verlegen Sie die Kabel fern von Hochspannungsleitungen und bündeln Sie Hochspannungs-Stromleitungen und Signalleitungen niemals zusammen.

• Schließen Sie Geräte wie elektrische Türschlösser nicht an dieselbe Stromversorgung an.

• (Verwenden Sie ein linear geregeltes Netzteil oder ein hochwertiges Schaltnetzteil (Restwelligkeit weniger als 50 mV)).

Abschluss

RS232, RS422, RS423 und RS485 sind im Wesentlichen Protokolle der physikalischen Schicht. Es handelt sich um serielle Kommunikationsprotokolle, die als Schnittstellen weit verbreitet sind. Serielle Schnittstellen werden häufig in der Elektronik und in eingebetteten Systemen eingesetzt, oft zur Datenerfassung von Geräten oder zur Fernsteuerung.

Sie verändern die Art der Signalübertragung, sei es an einen PC, einen Mikrocontroller oder über ein serielles Kommunikationsprotokoll bzw. TTL-Pegel für die serielle Kommunikation. Ein Kommunikationswandler-Chip ist erforderlich, um diese Signale in RS232-, RS422-, RS423- oder RS485-Signale umzuwandeln.

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