Redes de comunicação em RS-485

Confira aspectos importantes do padrão de comunicação RS-485, bem como sua aplicabilidade, ainda mais com a popularização da internet das coisas “IoT”.

As redes de comunicação estão cada vez mais presentes nos equipamentos eletrônicos modernos, e com a popularização da internet das coisas “IoT” as redes de comunicação passam a ter um campo de aplicação ainda maior.

Neste artigo veremos aspectos importantes do padrão de comunicação RS-485, bem como sua aplicabilidade.

Primeiramente é necessário lembrar que o padrão RS-485 não é um protocolo de comunicação e se trata apenas de um padrão normalizado que especifica detalhes físicos, como os níveis de tensão de operação, número de dispositivos e distância máxima. Diversos protocolos utilizam as especificações de meio físico definidas pelo padrão RS-485, como é o caso do protocolo Profibus e do conhecido protocolo Modbus, além desses ainda temos os protocolos BACnet, CompoNet, EnDat e BiSS.

O padrão RS-485 (Recommendad Standart-485) ou EIA-485 (Electronic Industries Alliance-485) foi aprovado em 1983 pela EIA (Electronics Industries Association) como um novo meio de transmissão de dados por cabeamento, sendo largamente aceito em praticamente todo tipo de indústria como: equipamentos médicos, automação industrial, embarcações, laboratórios, robótica, sistemas de ar condicionado e muitas outras aplicações. As caraterísticas mecânicas dos conectores elétricos não é abordada pelo padrão, sendo possível adotar diversos tipos diferentes conforme a necessidade da aplicação.

A utilização estratégica do sinal diferencial permite uma filtragem eficiente dos ruídos captados pelo cabo ao longo de seu comprimento, tornando o padrão RS-485 robusto a interferências. Outra vantagem do sinal diferencial é sua imunidade a variação do potencial de terra dos diferentes dispositivos da rede. Pequenas variações no potencial de terra não prejudicam a comunicação.

O sinal diferencial com ruído é facilmente filtrado no padrão RS-485
Figura 1: O sinal diferencial com ruído é facilmente filtrado

A topologia utilizada pelo padrão RS-485 é a de barramento ou sua variante daisy chain e permite a adição e remoção de dispositivos sem influenciar outros dispositivos que já estejam em operação. Sendo um padrão multiponto, é possível adicionar vários dispositivos na mesma rede, diferente do padrão RS-232, onde apenas é admitida a comunicação entre dois dispositivos.

Topologia barramento e daisy chain do padrão RS-485
Figura 2: Topologia barramento e daisy chain

O padrão ainda pode operar em modo half-duplex utilizando um par de cabos padrão ou em full-duplex utilizando dois pares de cabos, sendo que em half-duplex somente é possível utilizar uma operação por vez no barramento, ou seja, as operações de envio ou recebimento de dados não podem ser realizadas no mesmo tempo. Já no modo full-duplex, é possível enviar e receber dados ao mesmo tempo, porém a utilização do modo half-duplex predomina em quase todas as aplicações industriais por conta do  baixo custo de implantação e a ótima velocidade que o padrão já proporciona.

RS-485 em modos full-duplex e half-duplex respectivamente
Figura 3: RS-485 em modos full-duplex e half-duplex respectivamente Fonte: The RS-485 Design Guide, Texas Instruments.

Níveis de tensão do padrão RS-485

O padrão RS-485 define um sinal diferencial de tensão entre um par de fios conforme representado na figura abaixo, onde o transmissor oferece uma tensão de no mínimo 1.5v/-1.5v e o receptor deve possuir uma sensibilidade de no mínimo 200mv/-200mv.

Forma de onda dos sinais  A e B em relação a terra, demonstrando o sinal A oposto ao sinal B, gerando assim o sinal diferencial.
Figura 4: Forma de onda dos sinais  A e B em relação a terra, demonstrando o sinal A oposto ao sinal B, gerando assim o sinal diferencial.

Fonte: http://www.sealevel.com/support/article/AA-00544/0/Serial-Electrical-Interfaces.html

No sinal diferencial um fio transmite o sinal positivo e no outro fio é transmitido o sinal de potencial negativo, chamados respectivamente de sinal A e sinal B, ou  ainda designados  como “+” e “-“. Assim é possível eliminar possíveis ruídos admitidos ao longo da transmissão do dados. Com essas especificações, a resistência interna dos dispositivos deve ser de no mínimo 12KΩ.

Níveis de tensão do transmissor e sensibilidade do receptor.
Figura 5: Níveis de tensão do transmissor e sensibilidade do receptor.
Terminais RS-485 "+" e "-" encontrados em um CLP Delta.
Figura 6: Terminais RS-485 “+” e “-” encontrados em um CLP Delta.

O sinal diferencial tem a vantagem de oferecer um elevado nível de imunidade a interferências, permitindo que a rede alcance longas distâncias de comunicação.

Sinal diferencial de um barramento RS-485 medido por um osciloscópio.
Figura 7: Sinal diferencial de um barramento RS-485 medido por um osciloscópio.
Forma de onda e representação dos bits.
Figura 8: Forma de onda e representação dos bits.

Como o sinal é diferencial, não é obrigatória a utilização do fio terra juntamente com o cabo de sinal, porém a norma adverte que a máxima diferença de potencial entre os equipamentos da rede deve estar entre –7V e +12V. A utilização de uma malha aterrada no cabo pode ajudar a conter interferências na comunicação.

RS-485-9
Figura 9: Esquema de ligação entre dois dispositivos RS-485 utilizando o fio terra e o cabo com blindagem também aterrada.

Distância e velocidade máxima

O padrão RS-485 define a velocidade máxima da rede em 10Mb/s, porém é possível a utilização de circuitos integrados transceivers que operam a até 50Mb/s. Inclusive alguns protocolos definem uma velocidade máxima de até 12Mb/s quando for utilizado o padrão RS-485, que é o caso do protocolo Profibus, provando que o limite de 10Mb/s pode ser ultrapassado em alguns casos. Como a maioria das redes de par trançado, o comprimento da rede é inversamente proporcional à velocidade de comunicação, como segue demonstrado na figura abaixo.

Relação distância x velocidade do padrão RS-485.
Figura 10: Relação distância x velocidade do padrão RS-485. Fonte: The RS-485 Design Guide, Texas Instruments.

A distância máxima da rede definida pelo padrão RS-485 é de 4000 pés, o equivalente a 1.219 m.

Portanto, para uma distância pequena como 50m é possível utilizar a velocidade máxima da rede conforme mostra a figura 9 no trecho indicado pelo número 1, e como dito anteriormente pode ser alcançado até mais de 10Mb/s. Caso o comprimento da rede seja muito grande como 1200m, a velocidade pode cair para até 9.6Kb/s. A velocidade máxima da rede está intimamente ligada às condições de instalação e ao tipo de cabo utilizado na rede.

Para distâncias maiores de 1200m podem ser utilizados repetidores, sendo que em alguns protocolos os mesmos são reconhecidos como estações na rede, possuindo endereço próprio.

Terminadores e cabos

De acordo com o padrão RS-485 o início e o fim do barramento devem ser ligados com terminadores de rede, que são resistores de 120Ω ligados entre as duas linhas do barramento. Estes terminadores geralmente vêm montados dentro dos dispositivos, sendo acionados por uma pequena dip-switch. Apenas os dois dispositivos das extremidades da rede devem possuir o terminador, os demais não precisam do terminador. Isso acontece pois o sinal pode acabar sendo refletido pelas extremidades da rede, atrapalhando o sinal original de comunicação. Esse fato tem maior ocorrência em redes de grande comprimento e pode ser visualizado por um osciloscópio.

O cabo de par trançado deve ter bitola mínima de 24AWG que equivale a 0,20mm², devendo possuir blindagem sempre que possível. O cabo ainda deve possuir uma capacitância de no máximo 17pf/ft (55pf/m) e uma impedância maior que 100 ohms. Se não for utilizado o fio terra em comum com os dispositivos da rede a blindagem do cabo deve ser aterrada em apenas uma de suas extremidades.

Cabo com blindagem (Shield)
Figura 11: Cabo com blindagem (Shield)
Terminadores incluidos no barramento.
Figura 12: Terminadores incluidos no barramento.

Número de dispositivos na rede

O padrão RS-485 é multiponto, o que permite que vários dispositivos possam ser ligados ao barramento de comunicação, sendo definidos 32 dispositivos em uma única rede. Porém é possível a adição de mais dispositivos conforme o caso, pois o padrão define cada dispositivo da rede como “unidade de carga”, definindo em uma rede o número máximo de 32 unidades de carga. A definição de uma carga unitária é como uma resistência de 15 kΩ – ligado a uma fonte -3V ou 5V.

Logo a tensão elétrica do barramento é inversamente proporcional à quantidade de unidades de carga conectadas à rede. Conclui-se que podemos conectar 32 dispositivos de uma unidade de carga na rede ou conectar 64 dispositivos de ½ unidade de carga na rede. Ou seja, o que define o número máximo de dispositivos no barramento da rede é a característica elétrica dos dispositivos mestres e escravos. É possível encontrar no mercado dispositivos com carga inferior à unitária como 1/2 ,1/4 e 1/8 de unidade de carga.

Como os protocolos geralmente permitem configurar e atribuir endereços a mais de 32 dispositivos, é possível ultrapassar o limite de 32 dispositivos numa mesma rede. Hoje em dia já é possível conectar até 256 dispositivos em uma rede RS-485, porém isso é raramente utilizado pois além de ocupar o barramento com muitos dados, uma possível falha no barramento como curto circuito e rompimento do cabo pode causar a perda de comunicação de muitos dispositivos de uma só vez, sendo mais eficiente dividir a rede em vários segmentos com menos dispositivos em cada barramento, diminuindo, assim, a dependência de apenas um único cabo para a correta comunicação de todos os dispositivos.

Referências

The RS-485 Design Guide, Texas Instruments. February 2008–Revised October 2016.

Figura inicial, fonte: http://www2.advantech.com.br/eAutomation/Remote-IO/Introduction.aspx

Engenheiro eletricista trabalha a 13 anos com sistemas microprocessados para automação industrial e eletrônica automotiva (com certificação ASE), atualmente trabalha com automação na industria de óleo e gás.

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Stephany
Stephany
23/03/2018 10:46

Preciso fazer a comunicação entre vários Arduinos usando um barramento 485.. Um arduino será o mestre (DUE) e outros 3 (nano) como escravos. gostaria de saber se o barramento pode ser implementado em uma PCB. Irei usar o CI MAX485 para fazer a tradução do sinal TX e RX para o barramento.. Mas fico na dúvida se cabeamento pode ser as trilhas do circuito impresso que farei, ou preciso fazer com cabos mesmo com isolamento e bitola maior. É para um projeto de controle de motores de um braço robótico com 5DOF.

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