19.03.2015

Serielle Kommunikationsmodule

Teamplayer im Netzwerk

Die Kommunikation zwischen Computern und Peripheriegeräten über serielle Schnittstellen ist ein Thema, mit dem die Industrie bereits seit mehr als 50 Jahren Erfahrung vorweisen kann. In diesem langen Zeitraum hat die serielle Datenübertragung nichts von ihrer Aktualität eingebüßt. Auch heute noch finden die im Sprachgebrauch auch RS485, RS232 und RS422 genannten Schnittstellen ihren Platz in industriellen Netzen.


Will man die serielle Datenübertragung bewerten, so ist ein Vergleich mit der parallelen Übertragung von Daten Pflicht. Bei der seriellen Übertragung werden digitalisierte Daten nacheinander und Bit für Bit - eben seriell - zwischen Sender(n) und Empfänger(n) ausgetauscht. In den meisten Fällen werden für die Übermittlung der Daten Kupferkabel verwendet, eine Alternative ist die Nutzung von Lichtwellenleitern. Andere Übertragungswege sind aber ebenfalls gebräuchlich: Bei der drahtlosen Datenübertragung wird beispielsweise Infrarotlicht oder Funk genutzt. In der parallelen Übertragung hingegen werden Daten über mehrere Datenleitungen gleichzeitig übertragen. Dabei kann es sich um vier, acht, 16, 32 oder noch mehr Leitungen handeln. Hinzu kommen eine Masseleitung für die Signale sowie gegebenenfalls Steuerleitungen. Aufgrund der höheren Zahl der Datenleitungen kommt es zu einer entsprechenden Steigerung der Übertragungsrate: Bereits die parallele Anbindung von Druckern über die (inzwischen abgelöste) Centronics-Schnittstelle ermöglichte Übertragungsraten von bis zu 2MBit pro Sekunde. Die parallele Datenübertragung hat aber auch gravierende Nachteile:

  • • Je nach Größe der zu steuernden Anlage müssen vieladrige Kabel verlegt werden, was zu entsprechend hohen Kosten führt.
  • • Bei einer unterbrochenen Ader muss das gesamte Kabel ersetzt werden.
  • • Nahe beieinander liegende Kabel beeinflussen sich gegenseitig zu Lasten der Zuverlässigkeit. Die zu überbrückende Distanz zwischen Sendern und Empfängern reduziert sich daher auf wenige Meter.

Übertragungsrichtungen

Ein wichtiger Aspekt der Datenübertragung betrifft die Richtung des Datenflusses. Grundsätzlich werden hierbei die Bezeichnungen Simplex-, Halbduplex- und Vollduplex-Kommunikation unterschieden.

  • • Simplex: Die Simplex-Datenübertragung erfolgt grundsätzlich immer nur in einer Richtung. Dies ist auch der Grund dafür, dass Simplex in der Literatur als Richtungsbetrieb bezeichnet wird. Der große Nachteil dieser Übertragungsart liegt darin, dass keine Möglichkeit besteht, den Erfolg der Übertragung festzustellen, da eine Antwort nicht möglich ist.
  • • Halbduplex: Wenn Daten zwischen verschiedenen Geräten in beiden Richtungen ausgetauscht werden, dieser Datenaustausch aber nur wechselweise - also nicht gleichzeitig - erfolgen kann, spricht man von Halbduplex. In der Literatur wird diese Betriebsart auch als Wechselbetrieb bezeichnet.
  • • Vollduplex: Können Daten jederzeit in beide Richtungen übertragen werden, dann liegt Vollduplex vor. Eine alternative, aber wenig gebräuchliche Bezeichnung, für Vollduplex lautet Gegenbetrieb.

Übertragungstechniken

Für eine verlustfreie Datenübertragung ist die technische Umsetzung von besonderer Bedeutung. Kabel sind empfindlich gegenüber elektromagnetischen Impulsen (Einstreuungen), die dazu führen können, dass die Daten und somit die gesamte zu übertragende Information verfälscht werden. Die Stichworte lauten hier: Asymmetrische und symmetrische bzw. differenzielle Datenübertragung.

  • • Asymmetrisch: Die asymmetrische Datenübertragung (englisch: unbalanced transmission) stellt die einfachste und somit kostengünstigste Form dar, weil hier nur ein zweiadriges Kabel verwendet wird. Während das Nutzsignal, also die Daten, auf der einen Leitung übertragen wird, dient die andere Leitung als Bezugspotenzial (meistens Masse). In besseren und teureren Kabeln wird die Masseleitung häufig zusätzlich als Abschirmung verwendet. Bild 2 zeigt das Eingangssignal und ein mögliches Ausgangssignal.
  • • Symmetrisch: Bei der symmetrischen bzw. differenziellen Datenübertragung (englisch: balanced transmission) werden ebenfalls zwei Leitungen verwendet. Das Signal wird hierbei phasengedreht über zwei verdrillte Leitungen geführt (Bild 3). Es wird keine Masse verwendet. Störungen wirken sich demnach auf das invertierte und das nichtinvertierte Signal gleichermaßen aus. Werden die beiden Signale anschließend voneinander subtrahiert, heben sich die Störungen gegeneinander auf - daher auch der Begriff differenziell. Symmetrische Datenübertragung kann aber auch völlig anders realisiert sein; bei Ethernet werden beispielsweise Übertrager eingesetzt.

Serielle Schnittstellen

Typische und häufig verwendete Typen bei der seriellen Kommunikation sind die Schnittstellen EIA232, EIA422 und EIA485 (EIA = Electronic Industrie Association). Im folgenden Teil des Beitrags werden diese Schnittstellen miteinander verglichen.

Empfehlungen der Redaktion

EIA232

Schnittstellen nach EIA232 (häufig noch als RS232 bezeichnet) gehören zu den Schnittstellen mit asymmetrischer Datenübertragung. Dies führt zu einer recht hohen Empfindlichkeit gegenüber Störimpulsen und elektromagnetischen Einstreuungen. Die überbrückbare Distanz beschränkt sich daher auf wenige Meter. EIA232-Schnittstellen sind sogenannte Punkt-zu-Punkt- bzw. Ende-zu-Ende-Verbindungen: Sie sind also auf den Austausch zwischen zwei Geräten beschränkt. Die Datenübertragung erfolgt asynchron, das heißt, ohne Taktsignal. Im späteren Abschnitt 'Protokolle' werden Techniken gezeigt, die für eine erfolgreiche Übertragung ohne Datenverlust verwendet werden. Für die Darstellung der Signale werden elektrische Spannungen in den Bereichen -3 bis -15V (logisch 1 bzw. Mark) und +3 bis +15V (logisch 0 bzw. Space) verwendet. Der Spannungsbereich zwischen -3 und +3V ist nicht definiert und dient zur sicheren Unterscheidung von Mark und Space. Durch die Verwendung von Sende- und Empfangsleitungen ist EIA232 grundsätzlich für den Vollduplex-Betrieb einsetzbar.

EIA422

EIA422 nutzt das Prinzip der symmetrischen Datenübertragung. Die Schnittstelle ist - wie auch die Kommunikation über EIA232 - auf zwei Teilnehmer beschränkt. EIA422 ist also ebenfalls eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Die Kommunikation der beiden Teilnehmer erfolgt über zwei Aderpaare, was einen Vollduplex-Betrieb ermöglicht. Hierfür ist es erforderlich, das in Bild 3 gezeigte Schaltungsprinzip doppelt auszuführen. Bei einer Entfernung von bis zu 12m ermöglicht EIA422 Übertragungsraten von bis zu 10Mbps, bei der maximal spezifizierten Distanz von 1.200m können Daten immer noch mit bis 90kbps übertragen werden.

EIA485

EIA485-Schnittstellen (auch RS485 genannt) verwenden - im Gegensatz zu EIA422-Schnittstellen - nur ein einzelnes Aderpaar: Dies reicht aus, um im Halbduplex-Betrieb Daten in beiden Richtungen zu übertragen. Während es sich bei EIA422 um eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit zwei Teilnehmern handelt, gilt für EIA485 eine sogenannte Lastgrenze von 32 Lasten. Üblicherweise entspricht eine Last einem Teilnehmer. Es gibt aber auch Teilnehmer, die nur eine halbe, eine viertel oder sogar nur eine achtel Last darstellen. Die maximale Teilnehmerzahl umfasst somit 32 mal acht Teilnehmer, also insgesamt 256 Teilnehmer.

Software- und Hardware-Protokolle

Protokolle dienen zur Steuerung des Datenflusses. Ohne sie besteht die Gefahr, dass Daten bei der Übertragung verloren gehen. Es gibt zwei Typen von Protokollen, die aber auch gemischt nutzbar sind: Software- und Hardware-Protokolle. Da die Datenübertragung vergleichbar mit dem Schütteln der Hände bei einer Begrüßung ist, nennt man Protokolle auch Software/Hardware-Handshaking. Bekannte Vertreter dieser Software-Protokollgruppe sind XON/XOFF, STX/ETX oder ACK/NAK. Hierbei handelt es sich um Zeichen aus dem ASCII-Code, die zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht werden. XON/XOFF ist ein sehr einfaches Protokoll, das immer von den Empfängern gesteuert wird und von den Sendern berücksichtigt werden muss. Ein Empfänger signalisiert mit XON, dass er bereit zum Empfang von Daten ist, mit XOFF signalisiert er das Gegenteil. In Verbindung mit den Kombinationen ACK/NAK und STX/ETX kann die Datenübertragung auf Kosten der Übertragungsgeschwindigkeit stabiler gemacht werden. Der Einsatz von Hardware-Protokollen erhöht den Verkabelungsaufwand. Im Vergleich zur parallelen Datenübertragung ist dieser Aufwand aber geringer. Beispiele für Hardware-Protokolle sind DTR/DSR oder RTS/CTS. Mit einem RTS (Request to send) fragt der Sender den Empfänger, ob dieser bereit zum Empfang ist. Antwortet dieser mit CTS (Clear to send), dann kann die Übertragung eingeleitet werden. Empfängt der Sender innerhalb einer bestimmten Zeitspanne (Timeout) kein CTS, dann wird der Versuch zum Aufbau einer Verbindung nach einiger Zeit wiederholt oder vollständig abgebrochen.

Realisierung der Anbindung

Neben speziellen COMS- und IC-Modulen für verschiedene Feldbusse, die ebenfalls serielle Datenübertragung verwenden (z.B. Canopen, Profibus oder CC-Link), bietet das Unternehmen Kunbus auch die zwei universellen seriellen Kommunikationsmodule COM RSX und IC RSX. Einstellbar sind die Betriebsarten EIA232, EIA442 und EIA485, womit die gängigsten seriellen Verbindungen abgedeckt werden. Die Variante Kunbus-IC RSX bietet applikationsseitig eine Modbus-RTU (Remote Terminal Unit) und eine Schieberegisterschnittstelle. Diese DIL32-Aufsteckplatine hat Außenmaße von 45x25mm. Das Umschalten zwischen EIA232, EIA422 und EIA485 erfolgt wahlweise über die Config-Debug-Schnittstelle, Modbus-RTU oder Schieberegister. Das Gleiche gilt für das Einstellen der Node-Adresse und der Baudrate. Die galvanische Trennung zwischen Bus und Applikation beträgt 1,5kV, die Spannungsversorgung beträgt dabei wahlweise 3,3 oder 5V. Die Variante Kunbus-COM RSX hat zusätzlich auch noch eine Dual-Port-RAM-Schnittstelle um auf einfache Art und Weise einen Aktor oder Sensor anzubinden. Technisch wird dies über einen 32-poligen SMC-Steckverbinder realisiert, der eine Verbindung zur Applikation durch einfaches Aufstecken auf die Steuerungsplatine oder mit einem Kabel ermöglicht. Das Einstellen des EIA-Modus, der Node-Adresse und der Baudrate erfolgt über einen DIP-Schalter bzw. über die Config-Debug-Schnittstelle. Ein achtpoliger Leiterplattensteckverbinder mit Federkraftklemme dient als Schnittstelle zum seriellen Netzwerk. Mit einem Außenmaß von 85x65mm ist das Modul sehr platzsparend. Die galvanische Trennung zwischen Bus und Applikation beträgt 1,5kV, die Spannungsversorgung beträgt dabei 3,3V. Als Besonderheit verfügen beide Varianten applikationsseitig über den Kunbus-Scripter. Dieser Editor ermöglicht es, ein Script zu erstellen und auf das Modul zu laden. Hiermit können Nutzdaten über eine serielle Schnittstelle in einem frei programmierbaren Protokoll ausgetauscht werden. Durch ein einheitliches PIN-Out, können die beiden Varianten auch gegen andere Module (wie Canopen, Devicenet, Ethernet/IP, Ethercat, Profibus, Profinet) ausgetauscht werden und übernehmen somit die Funktion kostengünstiger Optionsplatinen.

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