Wohnzimmerbeleuchtung StarLight:

Wie schon in den vorangegangenen Kapitel dargestellt, besteht das Projekt StarLight aus mehreren Komponenten und PCB's. Zum Austausch von Daten kommen verschiedene Technologien und Methoden zum Einsatz. Neben der Funkverbindung von Betty zum Scart-Adapter und der USART-Verbindung von Scart-Adapter zum Master kommunizieren die wichtigsten Komponenten Master und Slave über einen RS485-Systembus miteinander.

Die Adressen der Slaves können über ein 4-Bit-DIP-Switch eingestellt werden. Damit ergibt sich ein Adressbereich von 0-31. Es werden aber nur 8 Dimmer verwendet welche die Adressen 1-8 verwenden. Die Adresskonfiguration wird von jedem Slave am Anfang des Systemstarts verwendet und zu der weiter unten beschriebenen Adressierung innerhalb des RS485-Protokolls verwendet.
Die RS485-Schnittstelle stellt eine Erweiterung der RS422-Definition dar. Während die RS422 lediglich den unidirektionalen Anschluss von bis zu 10 Empfängern an einen Sendebaustein zulässt, ist die RS485 als bidirektionales Bussystem mit bis zu 32 Teilnehmern konzipiert. Physikalisch unterscheiden sich beide Schnittstellen nur unwesentlich.

Man kann den RS485 Bus überall dort einsetzen wo größere Datenmengen über längere Strecken übertragen werden müssen oder wenn mehrere Geräte miteinander vernetzt werden sollen, besonders dann, wenn die Kosten oder der Platz eine Rolle spielen, da die notwendigen Treiberbausteine kompakt und günstig sind. Er eignet sich besonders dazu um Mikrocontroller miteinander zu verbinden. Da Mikrocontroller meist einen sogenannten UART integriert haben ist der Aufbau eines Busses problemlos möglich.


Der RS485 Bus hat gegenüber anderen Schnittstellen einige Vorteile.

• Hohe Datenraten: Je nach verwendetem Treiber bis weit über 2 MBit
• Mehrere Geräte an einem Bus: Üblicherweise 32, bei manchen Treibern auch 128
• Hohe Leitungslängen: Je nach Datenrate lassen sich mehrere hundert Meter erreichen
• Niedrige Kosten: da außer dem Treiber keine weiteren Bauteile benötigt werden
• Geringer Platzbedarf: Es ist lediglich ein Treiber in DIP8 oder SO8 nötig. Maxim bietet sogar Treiber im µMax8 Gehäuse an.
• Unempfindlicher gegen Störungen
• Kein Protokoll Overhead wie z.B. bei CAN

Funktionsweise:

Der RS485 Bus ist, wie der Name schon sagt, nicht nur eine Verbindung zwischen zwei Geräten wie dies bei RS232 der Fall ist, sondern es handelt sich um einen Bus, an dem mehrere Geräte gleichzeitig angeschlossen werden können. Er ermöglicht einen Single Master/ Multi Slave Betrieb. Ein Master ist ein Teilnehmer, der Befehle sowohl senden als auch empfangen kann. Ein Slave erhält nur Befehle die er dann ausführt. Für Single Master /Multi Slave bedeutet es, dass nur ein Teilnehmer, z.B. ein PC, Befehle versenden darf. Alle anderen Teilnehmer, die am Bus angeschlossen sind, empfangen lediglich diese Befehle, führen sie aus und senden eventuell Daten zurück. Ein Slave beginnt jedoch nie ohne Aufforderung eine Kommunikation.
Bei RS485 handelt es sich um eine sogenannte differenzielle Schnittstelle. Das bedeutet, dass für jedes Signal zwei Leitungen benötigt werden. Über die eine Leitung wird das Signal unverändert übertragen, auf der anderen Leitung wird das Signal invertiert. Wenn eine 1 übertragen werden soll hat die eine Leitung +200mV gegenüber der anderen. Bei einer 0 hat die erste Leitung -200mV gegenüber der anderen. Der Empfänger vergleicht die beiden Signale miteinander und gibt das original Signal aus. Durch dieses Verfahren werden Störungen nahezu eliminiert und man erreicht große Leitungslängen oder hohe Datenraten.

Die Verbindung zwischen den Teilnehmern kann entweder durch eine Zweidraht- oder durch eine Vierdrahtverbindung erfolgen. Verwendet man nur zwei Leitungen, ist nur ein Half Duplex Betrieb möglich. Das bedeutet, dass Daten nicht gleichzeitig in beide Richtungen übertragen werden können. Eine Übertragung erfolgt immer abwechselnd in die eine oder in die andere Richtung. Soll der Bus Full Duplex fähig sein, also Daten in beide Richtungen gleichzeitig Senden können, muss man für beide Datenrichtungen eigene Leitungen und Treiber verwenden. Für den Full Duplex Betrieb benötigt man also 4 Leitungen.

Die Übertragung erfolgt wie auch bei RS-232: Startbit (logisch 0) - Datenbits (LSB zuerst) - Stopbit (logisch 1). Eine Zahl 70 (46hex) sieht also auf dem Bus bei 8-Bit Datenbreite so aus: 0 01100010 1.

Für das Projekt StarLight wird die Full-Duplex-Variante des Buses mit einer 4-Drahtleitung (2 x Twisted-Pair) verwendet.


Treiber:

Wie auch für RS232 gibt es für RS485 eine große Anzahl an Treiberbausteinen. Diese unterscheiden sich in der Zahl der Sender und Empfänger, in der maximalen Datenrate oder der Anzahl der maximal möglichen Busteilnehmer. An dieser Stelle beschränke ich mich auf die Treiberbausteine mit nur jeweils einem Sender und Empfänger, sehr wohl aber mit 2 Adernpaaren für den Full-Duplex-Mode.

Die beiden Busleitungspaare werden mit A und B sowie Y und Z bezeichnet, wobei A / Y nicht invertiert und B / Z invertiert wird. Jeweils ein Leitungspaar verbindet Sendet mit Empfänger und umgekehr. Der Sender des Master geht auf die Empfänger der Slaves und die Sender der Slaves gehen auf den Empfänger des Masters. Sowohl Sender als auch Empfänger haben einen Enable Eingang. Ist dieser Eingang deaktiviert befindet sich der entsprechende Treiber im Tri State Modus und belastet den Bus nicht. Je nach dem ob man senden oder empfangen will muss man den entsprechenden Eingang aktivieren. Da der Enable Eingang des Empfängers invertiert ist kann man ihn mit den Enable Eingang des Senders verbinden und mit einer einzigen Portleitung eines Controllers steuern. Dabei ist aber immer einer der beiden Treiber aktiv und kann nicht abgeschaltet werden.


In dieser Darstellung sieht man den schematischen Aufbau eines RS485 Treibers. DE und RE sind die Enable Leitungen für Sender und Empfänger.
DI ist der Dateneingang vom Controller. Man sollte DI mit dem TxD Anschluss des UART's verbinden.
RO ist der Dateneingang zum Controller. Er wird mit dem RxD Anschluss des UART's verbunden.
A / B und Y / Z sind die Verbindungen zum Bus.
Die Kreise deuten an welche der Anschlüsse invertiert werden.

Die am häufigsten verwendeten RS485 Treiber sind der MAX485 von Maxim, der LTC485 von Linear Technology und der SN75176 von Texas Instruments.

Alle diese Treiber sind zueinander Funktionskompatibel, unterscheiden sich jedoch im Pinning, in der maximalen Datenrate und der Anzahl der Teilnehmer auf einem Bus. Je nach Ausführung kann z.B. der MAX485 mit bis zu 2,5MBit arbeiten, der MAX483 dagegen nur mit 250kBit. Verwendet man den MAX487 kann man bis zu 128 Teilnehmer an einen Bus hängen, mit dem MAX485 sind dagegen nur 32 Teilnehmer möglich.
Im Projekt werden die Bausteine von Maxim eingesetzt. Die Slaves erhalten den Baustein MAX491CPD, der Master enthält den MAX488CPD.


Beispiel eines RS485-Systems (Single-Master, Multi-Slave):

Im Folgenden wird eine Beispielschaltung gezeigt, wie sie von mir zunächst auf Lochraster aufgebaut wurde um die Funktionsweisen von RS485 kennenzulernen und in Betrieb zu nehmen. Dabei wurden für die Entwicklung des Prototyps bereits schon ein Augenmerk auf die Kommunikationsschnittstellen und Datenanforderungen des endgültigen Projekts geachtet.

In der Beispielschaltung besteht der Master auch aus einem ATmega168. Bei der Umsetzung wurde jedoch als Master der ATmega128 aus dem STK501 verwendet. Als RS485-Bustreiber werden die Bausteine MAX490 und MAX491 verwendet. Der Master ist als MAX490 umgesetzt. Da der Master immer sendet und empfängt ist eine Ausführung mit abschaltbaren Ein- Ausgängen nicht notwendig. Bei den Slaves dagegen kann auf abschaltbare Eingänge nicht verzichtet werden da diese durch Ihre Beschaltung den Bus belasten und das Übertragen von Daten verhindert.



Da mehrere Sender auf einer gemeinsamen Leitung arbeiten, muss durch ein Protokoll sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt maximal ein Datensender aktiv ist. Alle anderen Sender müssen sich zu dieser Zeit in hochohmigem Zustand befinden.
Die Aktivierung der Senderbausteine kann durch Schalten einer Handshake-Leitung oder datenflussgesteuert, automatisch erfolgen.


Abschlusswiderstände:

Eine Terminierung des Kabels ist bei RS422-Leitungen nur bei hohen Baudraten und großen Kabellängen, bei RS485-Verbindungen dagegen grundsätzlich nötig. Wegen der hohen Frequenzen und der Leitungslängen, muss ein entsprechendes Augenmerk auf Reflexionen und Leitungseffekte gelegt werden. Um diesem gerecht zu werden müssen Abschlusswiderstände dimensioniert und berücksichtigt werden.
Ein Abschlusswiderstand ist schlicht und einfach ein Widerstand, am jeweils äußersten Ende der Leitung angebracht. Der Wert des Abschlusswiderstands ist ideal dem gleichen Wert entsprechend, wie der vom Hersteller angegebene Wert des Wellenwiderstand des Kabels.

Wenn der Abschlusswiderstand nicht den gleichen Wert wie die charakteristische Impedanz der Verkabelung hat, werden Reflexionen auftreten. Dieser Prozess wird durch die Gleichung (Rt - Zo) / (Zo + Rt) berechnet. Zo ist die Impedanz des Kabels und Rt ist der Wert des Abschlusswiderstand. Es ist wichtig, den Abschlußwiderstand so genau wie möglich zu treffen und auf die charakteristische Impedanz anzupassen. Die Position der Abschlusswiderstände ist auch sehr wichtig. Abschlusswiderstände sollte immer am äußersten Enden der Kabel gelegt werden. Als allgemeine Regel ist zu sagen, dass Abschlusswiderstände immer an den beiden äusseren Enden des Kabels platziert werden sollten.

Bei der Installation muss auf korrekte Polung der Aderpaare geachtet werden, da eine falsche Polung zur Invertierung der Daten- und Handshake-Signale führt.

Obige Grafik des RS485-Master-Slave-Systems zeigt deutlich wie der RS485 Bus aufgebaut ist. Man sieht hier die beiden Leitungen des RS485 Bus. Eine Leitung verbindet jeweils die A/B-Anschlüsse der Empfänger mit den Z/Y-Anschlüssen der Sender.

Die Widerstände sind Abschlusswiderstände und müssen am Ende der Leitungen montiert werden. Bei geringen Entfernungen < 20m werden folgende Widerstände eingesetzt:

PullUp- und PullDown-Widerstände: 1k Ohm
Leitungswiderstand: 120 Ohm

Die PullUps bzw PullDowns sind optional und können bei kurzen Strecken auch entfallen. Die Leitungsabschlusswiderstände entgegen sind unbedingt anzuschließen.

Je nach Datenrate und Leitungslänge kann es notwendig sein andere Werte einzusetzen.