rs485, suas variações (RS422 e RS423) e a rs232 são métodos de comunicação para computadores e dispositivos (como CLPs). De longe, a rs232 é a mais popular e conhecida, pelo fato de que a sua interface serial ter sido implementada em quase todos os computadores disponíveis atualmente. Mas algumas outras interfaces são particularmente importantes pelo fato de poderem ser aplicadas em situações onde rs232 não é apropriada. Neste artigo, pretendo concentrar no rs485 bem como as vantagens e desvantagens desta comunicação.

rs232 é uma interface para conectar um DTE (equipamento terminal de dados) a um DCE (equipamento de comunicação de dados) a uma máxima velocidade de 56kbps com um cabo de tamanho máximo de 2,6 metros ou uma velocidade mínima de 2400 bps com um cabo de comprimento de 60 metros. Este era o suficiente no passado em que quase todos os computadores eram conectados por modens. No entanto, com o passar dos anos, as pessoas começaram a ter a necessidade de interfaces capazes de:

  • Conectar DTE’s diretamente sem a necessidade de modens;
  • Conectar vários DTEs em uma estrutura de rede;
  • Necessidade de comunicação a longas distâncias;
  • Necessidade de comunicação a taxas de velocidade maiores

Foi pensando em aprimorar estes pontos que surgiu a comunicação rs485, que é um padrão definido pela EIA com mais versatilidade de boa performance nos 4 pontos citados acima. Este é o motivo pelo qual a rs485 é atualmente uma das interfaces mais utilizadas em aplicações de aquisição e controle onde múltiplos nós precisam comunicar entre si.

Os Diferenciais da RS485: Grandes Distâncias e Maiores Velocidades

Um dos principais problemas da rs232 é a falta de imunidade a ruídos que interferem na comunicação. O transmissor e receptor compara a tensão dos dados e negocia linhas com uma linha zero em comum. Neste sentido, variações no nível 0 (terra) podem ser proporcionar efeitos desastrosos. Pelo fato do nível de disparo da RS232 estar definido em +-3V, o ruído é facilmente captado limitando a velocidade e a máxima distância. Por outro lado, a interface rs485 não possui um nível zero como sinal de referência e variações na diferença de tensão com relação ao terra entre o transmissor e receptor não causam nenhum problema. Os sinais na RS485 são flutuantes e os dados são transmitidos sobre uma linha com sinal positivo e uma linha com sinal negativo, sendo que o receptor do RS485 compara a diferença de tensão entre as linhas, ao invés de considerar o nível de tensão absoluta do sinal. Isto funciona bem e previne a existência de loops de terra, uma fonte comum de problema em comunicações. A fim de blindar as interferências, o melhor resultado é atingido torcendo os cabos condutores dos sinais positivos e negativos, como podemos ver na Figura abaixo:

rs485 cabo

Na Figura acima, o ruído é gerado por campos magnéticos no ambiente, como por exemplo um motor de indução ligado. A Figura mostra as linhas de campo magnético sendo que as linhas do corrente induzida são resultado destes campos magnéticos. No cabo reto, todo o ruído de corrente flui na mesma direção, praticamente gerando o famoso looping de corrente exatamente como acontece em um transformador comum. Por outro lado, quando o cabo é de par trançado, podemos perceber que em algumas partes do cabo de sinal, a direção do ruído é oposta à direção do sinal em outras partes. Por conta disto, o resultado da corrente induzida por ruído é em vários fatores muito menor do que no cabo reto.

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A blindagem, que é um método comum para prevenir ruídos em linhas RS232 tenta manter campos magnéticos hostis longe dos sinais de linha. Cabos com par trançado na RS485, no entanto adiciona o fator imunidade que é um método muito melhor de combater o ruído, pois permite que o campo magnético passe sem ser perigoso. Mesmo que haja uma grande interferência eletromagnética, podemos fazer uma combinação da blindagem e do par trançado como por exemplo os cabos STP e FTP. Sinais diferenciais (+ e -) e cabos trançados permitiram a RS485 comunicar a distâncias muito maiores do que as alcançadas com a sua predecessora RS232. Com a RS485, distâncias superiores de comunicação com até 1200 metros puderam ser aplicadas nos projetos.

O fato dos sinais serem transmitidos em linhas diferenciais permitiram também altas taxas de transmissão de bits do que era anteriormente possível fazendo a RS 485 atingir velocidades de até 35mbps.

Características da RS485 comparada às RS232, RS422 e RS423

Características RS232 RS423 RS422 RS485
Número Máximo de Transmissores 1 1 1 32
Número Máximo de Receptores 1 10 10 32
Modos de Operação half duplex
fullduplex
half duplex half duplex half duplex
Topologia de Rede point-to-point multidrop multidrop multipoint
Máxima Distância 15 m 1200 m 1200 m 1200 m
Velocidade Máxima a 12 metros 20 kbs 100 kbs 10 Mbs 35 Mbs
Velocidade máxima a 1200 metros (1 kbs) 1 kbs 100 kbs 100 kbs
Taxa de Variação Máxima 30 V/μs adjustable n/a n/a
Resistência de Entrada do Receptor 3..7 kΩ ≧ 4 kΩ ≧ 4 kΩ ≧ 12 kΩ
Impedância de Carga do Transm. 3..7 kΩ ≧ 450 Ω 100 Ω 54 Ω
Sensibilidade de Entrada do Receptor ±3 V ±200 mV ±200 mV ±200 mV
Range de Entrada do Receptor ±15 V ±12 V ±10 V –7..12 V
Máxima Tensão de Saída do Transm. ±25 V ±6 V ±6 V –7..12 V
Saída de Tensão Mínima do Transm. ±5 V ±3.6 V ±2.0 V ±1.5 V

 

O que todas as informações na tabela acima nos dizem? Primeiro de tudo, nós vemos que a velocidade entre as interfaces RS 422 e RS485 são muito superiores às versões mais simples RS232 e RS423. Nós podemos ver também a máxima taxa de variação na RS232 que interfere diretamente no ruído e que para a comunicação RS485, este limite fica indefinido. Veja também que para evitar problemas através dos cabos, existe a necessidade de utilizar resistores terminais corretos.

Nós também podemos ver que os níveis de tensão máximo permitido em todas as interfaces encontram-se no mesmo range, mas que este nível é menor para interfaces mais ráPIDas. Por causa disso, RS485 e outras podem ser utilizadas em situações com variações severas de nível terra e tensão, e ao mesmo tempo em aplicações que requerem altas taxas de velocidade de transmissão devido ao fato da transição entre a lógica 0 e 1 ser apenas algumas centenas de milivolts.

O interessante é que, a RS232 é a única interface capaz de operar comunicação full duplex. Isto acontece pelo motivo da RS232 possuir canal apropriado para emitir e receber enquanto que outras interfaces de comunicação possuem canais compartilhados por múltiplos receptores e, no caso da RS485, por múltiplos transmissores.

Topologia de Rede na RS485

A topologia de rede é provavelmente a resão pela qual a RS485 é agora a favorita das quatro interfaces mencionadas neste artigo para aquisição e controle de aplicações. A RS485 é a única interface capaz de interconectar múltiplos transmissores e receptores na mesma rede. Quando utilizados receptores no padrão RS485 com a resistência de entrada de 12kΩ, é possível conectar até 32 dispositivos diferentes na rede sendo que resistores com alta resistência disponíveis atualmente no mercado permitem a RS485 expandir ainda para 256 dispositivos. Ainda nesta comunicação, repetidores também estão disponíveis que fazem este número crescer para milhares de dispositivos por milhares de quilômetros. Outro ponto importante é que esta interface não requer um hardware inteligente na rede e a implementação pelo lado do software não é muito complexa se comparada à RS232. Esta é uma razão pela qual a RS485 é tão popular nos computadores industriais, CLPs, micro controladores e sensores inteligentes.

topologia rs485

Na Figura acima, uma topologia generalizada para a RS485 pode ser visualizada. N Nós estão conectados em multipontos de rede RS485. Para altas velocidades e longas distâncias, os resistores nas terminações de ambos são necessários para evitar reflexões de sinais e geralmente são utilizados resistores de 100Ω. Embora o tamanho do cabo total possa ser menor na configuração estrela, resistores terminais não são possíveis de se utilizar nesta estrutura e a qualidade do sinal cai de forma significativa.

Funcionalidade RS485

Finalmente, nos resta a pergunta mais importante: Como funciona a RS485 na prática? Por padrão, todos os barramentos dos transmissores na RS485 estão em três estados com alta impedância e na maioria dos protocolos de alto nivel, um dos nós são definidos como master que envia consultas ou comandos através do barramento RS485 e todos os outros nós recebem este dado. Dependendo dos informação contida no dado, zero ou mais nós na linha responde ao master. Nesta situação, a banda de rede pode ser utilizada 100%. Existem outras implementações de rede RS485 onde todos os nós podem iniciar uma sessão de dado por si próprio e isto é comparado a uma rede ethernet. Por conta disso, há uma chance de colisão de dados nesta implementação e na teoria 37% da largura de banda pode ser afetada. Para esta estrutura de rede portanto, há a necessidade de implementar dispositivos de detecção de erro no nível mais alto do protocolo a fim de detectar ruptura de dado e reenvio da informação a tempo.

Finalmente, a RS485 é utilizada como o meio físico para muitas normas de interface ou protocolos bem conhecidos no mercado, incluindo profibus e modbus. Portanto, esta interface de comunicação com certeza estará em uso por muitos anos no futuro.