RS485

RS485 ist ein Standard für die elektrische Übertragung auf seriellen Leitungen. Er beschreibt, mit welchen Spannungen Sender und Empfänger arbeiten, wie viele Teilnehmer an einer Leitung hängen dürfen und wie weit sie reichen darf — mehr nicht. Alles Übrige, von der Steckerform bis zum Datenformat, bleibt offen.

Genau diese Beschränkung macht RS485 so verbreitet. Es ist kein Bussystem, sondern das elektrische Fundament, auf dem viele aufbauen: Modbus RTU, PROFIBUS DP, BACnet MS/TP, DMX512 in der Veranstaltungstechnik und zahllose Hersteller-Protokolle in Wechselrichtern, Heizungen und Gebäudetechnik.

Formal heißt der Standard heute TIA/EIA-485-A, früher RS-485 (für Recommended Standard). Beide Schreibweisen meinen dasselbe; gebräuchlich sind auch EIA-485 und RS485 ohne Bindestrich.

Differenzielle Übertragung

Der entscheidende Unterschied zu RS232 liegt darin, wie ein Bit dargestellt wird. RS232 misst die Spannung einer Signalader gegen Masse. RS485 misst stattdessen die Differenz zwischen zwei Adern eines Adernpaars: Die eine führt das Signal, die andere sein Gegenstück.

Der Vorteil zeigt sich bei Störungen. Eine Einstreuung trifft beide Adern eines verdrillten Paars nahezu gleich stark und verschiebt beide Spannungen in dieselbe Richtung. Die Differenz zwischen ihnen bleibt davon unberührt — der Empfänger sieht das Signal unverändert. Dieser Gleichtaktunterdrückung verdankt RS485 seine Störfestigkeit in Umgebungen mit Motoren, Schützen und Frequenzumrichtern.

Die Zahlen dazu: Der Sender erzeugt mindestens 1,5 V Differenz, der Empfänger erkennt ab 200 mV zuverlässig einen Pegel. Dazwischen liegt eine Reserve von mehr als dem Siebenfachen. Zusätzlich verträgt der Empfänger Potentialunterschiede zwischen −7 V und +12 V gegenüber seiner eigenen Masse, ohne Schaden zu nehmen.

Zwei Drähte oder vier

Zweidraht (Halbduplex). Ein Adernpaar trägt beide Richtungen abwechselnd. Alle Teilnehmer hängen parallel daran; wer senden will, schaltet seinen Treiber ein und danach wieder ab. Das ist die übliche Form, und sie verlangt ein Protokoll, das festlegt, wer wann sprechen darf — meist ein Leitgerät, das die übrigen der Reihe nach abfragt.

Vierdraht (Vollduplex). Ein Paar für jede Richtung. Ein Leitgerät sendet auf dem einen Paar an alle, die Teilnehmer antworten auf dem anderen. Seltener, dafür ohne Umschaltzeiten.

Topologie und Terminierung von RS485

RS485 verlangt eine durchgehende Linie: von Teilnehmer zu Teilnehmer, ohne Verzweigungen. Sterne und Bäume sind nicht vorgesehen.

An beiden Enden dieser Linie sitzt ein Abschlusswiderstand von 120 Ohm, der dem Wellenwiderstand der Leitung entspricht. Fehlt er, wird das Signal am offenen Ende reflektiert und läuft zurück; die Überlagerung von Original und Echo verfälscht die Pegel. Die Folge sind Übertragungsfehler, die mit steigender Datenrate und Leitungslänge zunehmen.

Zwei Widerstände, nicht mehr: Wird an jedem Teilnehmer terminiert, bricht die Signalamplitude zusammen, weil die Abschlüsse parallel liegen und den Sender überlasten. Das ist der häufigste Fehler beim Aufbau einer RS485-Strecke.

Stichleitungen zu einzelnen Teilnehmern sollten so kurz wie möglich bleiben — als Faustregel wenige Zentimeter bei hohen Raten, bis etwa 30 cm bei niedrigen.

Länge und Datenrate

Die oft genannten 1.200 m gelten für niedrige Datenraten, etwa 100 kbit/s. Beides zusammen lässt sich nicht haben: Je höher die Rate, desto kürzer die Leitung.

Als Näherung gilt, dass das Produkt aus Länge in Metern und Rate in bit/s etwa 10⁸ nicht überschreiten soll. Die Werte setzen eine verdrillte Leitung mit 120 Ohm Wellenwiderstand voraus; gewöhnliches Installationskabel bleibt deutlich darunter.

Drei Fallstricke aus der Praxis

A und B sind vertauscht. Die Norm bezeichnet die Adern als A und B, legt aber nicht eindeutig fest, welche im Ruhezustand die höhere Spannung führt. Hersteller handhaben das unterschiedlich, und ein Gerät mit vertauschter Beschriftung verbindet sich nicht. Eindeutiger sind die Bezeichnungen D+ und D− oder TxD+/TxD−; im Zweifel hilft Vertauschen der beiden Adern, kaputtgehen kann dabei nichts.

Die Masse fehlt. Differenzielle Übertragung kommt ohne gemeinsamen Bezug aus — solange die Potentialunterschiede zwischen den Teilnehmern im zulässigen Bereich bleiben. Über größere Entfernungen oder zwischen verschiedenen Stromkreisen tun sie das oft nicht. Deshalb gehört eine dritte Ader als Bezugsleitung dazu, bei Bedarf über Widerstände entkoppelt. Fehlt sie, arbeitet der Bus scheinbar — bis er es bei bestimmten Lastzuständen nicht mehr tut.

Der Ruhezustand ist undefiniert. Sendet gerade niemand, liegt die Leitung ohne Treiber da, und der Empfänger sieht Rauschen statt eines definierten Pegels. Abhilfe schafft eine Vorspannung über Widerstände, die den Ruhezustand auf den Wert für „keine Daten" zieht. Viele Geräte bringen diese Beschaltung mit, manche nicht.

Teilnehmerzahl

Der ursprüngliche Standard erlaubt 32 Lasteinheiten an einem Strang. Eine Lasteinheit entspricht dabei dem Eingangswiderstand eines Empfängers nach ursprünglicher Auslegung. Moderne Bausteine sind hochohmiger und zählen als Achtel- oder Viertellast, sodass 128 oder 256 Teilnehmer möglich sind — vorausgesetzt, alle Geräte am Bus spielen mit.

Reicht das nicht, oder wird die Leitung zu lang, teilen Repeater den Bus in Segmente mit je eigener Terminierung.

Was RS485 nicht festlegt

• Kein Stecker. Schraubklemmen, Federklemmen, D-Sub-9 und RJ45 sind alle verbreitet; PROFIBUS verwendet D-Sub-9, BACnet MS/TP meist Klemmen.
• Keine Pinbelegung. Welcher Kontakt A führt und welcher B, legt jeder Hersteller selbst fest.
• Kein Protokoll. Datenformat, Adressierung und Fehlersicherung bestimmt das aufsetzende System.

Daraus folgt eine Eigenheit, die immer wieder für Verwirrung sorgt: Zwei Geräte können beide „RS485" können und trotzdem kein Wort miteinander wechseln, weil sie verschiedene Protokolle sprechen.

Abgrenzung

RS232 überträgt unsymmetrisch gegen Masse, verbindet genau zwei Geräte und reicht etwa 15 m weit. Es ist die ältere Schnittstelle für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.

RS422 arbeitet ebenfalls differenziell und über dieselben Entfernungen, erlaubt aber nur einen Sender je Leitung, der an bis zu zehn Empfänger sendet. Es ist damit eine Einbahnstraße, während RS485 den Mehrpunktbetrieb in beide Richtungen zulässt.

CAN nutzt ebenfalls ein differenzielles Adernpaar und 120-Ohm-Abschlüsse, regelt aber zusätzlich den Buszugriff und die Fehlerbehandlung — es ist ein vollständiges Bussystem, kein reiner Schnittstellenstandard.

Normen

• TIA/EIA-485-A – Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems
• TIA/EIA-422-B – Electrical Characteristics of Balanced Voltage Digital Interface Circuits
• TIA/EIA-232-F – Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Terminating Equipment
• ISO 8482 – Twisted pair multipoint interconnections