Serielle Schnittstellen: RS232 und RS485

Daten in einem digitalen Gerät bestehen aus Bits – Nullen und Einsen. Will man ein Byte, also acht Bit, von einem Gerät zum anderen übertragen, gibt es grundsätzlich zwei Wege.

Bei der parallelen Übertragung bekommt jedes Bit seine eigene Leitung. Acht Bit brauchen also acht Adern, die alle gleichzeitig ihren Wert übertragen. Das ist schnell, aber teuer und über größere Distanzen problematisch: Viele Adern, und die einzelnen Bits kommen bei langen Kabeln nicht mehr exakt gleichzeitig an.

Bei der seriellen Übertragung werden die Bits stattdessen nacheinander über eine einzige Leitung geschickt – ein Bit nach dem anderen, wie Perlen auf einer Schnur. Man braucht nur wenige Adern, das Kabel bleibt dünn und günstig, und größere Entfernungen sind kein grundsätzliches Problem. Genau deshalb hat sich seriell in der Industrie durchgesetzt: Zwischen einem Schaltschrank und einem Sensor 50 Meter weiter zieht niemand ein achtadriges Datenkabel, wenn ein Zweidraht-Anschluss genügt.

Wie schnell die Bits über die Leitung laufen, gibt die Baudrate an – die Anzahl der Signalschritte pro Sekunde. Bei den hier behandelten Schnittstellen trägt jeder Schritt genau ein Bit, daher entspricht die Baudrate hier der Bitrate in Bit pro Sekunde. Typische Werte sind 9600, 19200 oder 115200 Baud.

Aus der Baudrate ergibt sich direkt, wie lange ein einzelnes Bit auf der Leitung dauert. Diese Bit-Zeit ist der Kehrwert der Baudrate:

Bei 9600 Baud dauert ein Bit also rund 104 Mikrosekunden. Dieser Wert ist die Grundlage für alles Weitere – aus ihm leitet sich ab, wie lange ein ganzes Zeichen unterwegs ist.

Eine letzte wichtige Einordnung: Die hier betrachtete Übertragung ist asynchron. Das heißt, Sender und Empfänger teilen sich keine eigene Taktleitung. Stattdessen einigen sie sich vorher auf dieselbe Baudrate, und der Empfänger synchronisiert sich bei jedem Zeichen neu anhand des Signals selbst. Wie das funktioniert, zeigt das nächste Kapitel.

Ohne gemeinsame Taktleitung steht der Empfänger vor einem Problem: Woher weiß er, wann ein Zeichen anfängt und wann es aufhört? Die Lösung steckt im Datenframe – einer festen Verpackung um die eigentlichen Datenbits. Diese Verpackung erzeugt der UART, der Baustein im Gerät, der die parallelen Daten intern in den seriellen Datenstrom umsetzt und umgekehrt.

Ein Frame besteht aus mehreren Teilen, die immer in derselben Reihenfolge kommen:

Im Ruhezustand liegt die Leitung auf einem festen Pegel (logisch 1). Sobald der Sender etwas schicken will, zieht er die Leitung für genau eine Bit-Dauer auf den entgegengesetzten Pegel – das ist das Start-Bit. Diese Flanke ist das Signal für den Empfänger: „Jetzt geht’s los.“ Ab hier weiß der Empfänger, dass im Takt der vereinbarten Baudrate die nächsten Bits folgen, und kann sich daran ausrichten.

Danach kommen die Datenbits, üblicherweise 7 oder 8 Stück, meist mit dem niederwertigsten Bit zuerst. Das sind die eigentlichen Nutzdaten, also etwa ein Zeichen oder ein Messwert-Byte.

Optional folgt ein Paritätsbit. Es dient der einfachen Fehlererkennung: Bei gerader Parität wird es so gesetzt, dass die Anzahl der Einsen im Frame (Datenbits plus Paritätsbit) gerade ist; bei ungerader Parität entsprechend ungerade. Stimmt die Parität beim Empfänger nicht, ist mindestens ein Bit gekippt. Häufig wird auch ganz ohne Parität gearbeitet.

Zum Schluss kommt mindestens ein Stopp-Bit, das die Leitung wieder auf den Ruhepegel bringt und das Zeichen abschließt. Damit ist der Empfänger bereit für das nächste Start-Bit.

Die gebräuchlichste Konfiguration kürzt man 8N1 ab: 8 Datenbits, keine Parität (N für „none“), 1 Stopp-Bit. Wichtig dabei: Sender und Empfänger müssen exakt dieselbe Einstellung verwenden, sonst interpretiert der Empfänger die Bits falsch.

Aus diesem Aufbau folgt direkt, wie viele Bits insgesamt für ein einziges Zeichen über die Leitung gehen. Bei 8N1 sind das ein Start-Bit, acht Datenbits, kein Paritätsbit und ein Stopp-Bit – zusammen also 10 Bit pro Zeichen. Mit der Bit-Zeit aus Kapitel 1 lässt sich daraus die Übertragungsdauer eines Zeichens berechnen:

Dass für acht Nutzbits zehn Bit übertragen werden, ist kein Verlust, sondern der Preis für die Synchronisation ohne Taktleitung. Dieser Mehraufwand wird im nächsten Calculator sichtbar.

Ein wichtiges Detail der asynchronen Synchronisation: Der Empfänger wertet jedes Bit nicht an seiner Flanke, sondern in der Mitte der Bitzelle aus. Dieser Abtastzeitpunkt liegt zeitlich am weitesten von den störanfälligen Flanken entfernt. Genau deshalb toleriert das Verfahren kleine Abweichungen der Baudraten zwischen Sender und Empfänger: Solange die Abtastung über die Länge eines Zeichens hinweg innerhalb der jeweils richtigen Bitzelle bleibt, wird korrekt gelesen.

RS232 ist der ältere der beiden Standards und war jahrzehntelang die serielle Schnittstelle schlechthin – früher an jedem PC als COM-Port. Sie verbindet genau zwei Geräte miteinander: einen Sender und einen Empfänger, also Punkt zu Punkt.

Das prägende Merkmal von RS232 is die unsymmetrische Übertragung, auch single-ended genannt. Jedes Signal wird als Spannung gegen eine gemeinsame Masseleitung übertragen. Der Empfänger misst also die Spannung zwischen der Signalleitung und Masse und entscheidet daraus, ob gerade eine 0 oder eine 1 anliegt.

Dabei nutzt RS232 vergleichsweise hohe Spannungen mit beiden Vorzeichen, und zwar in invertierter Logik: Eine positive Spannung (typisch im Bereich um +5 bis +15 V) steht für logisch 0, eine negative Spannung (um -5 bis -15 V) für logisch 1. Zwischen diesen Bereichen liegt ein undefinierter Übergangsbereich. Dass logisch 1 hier mit der negativen Spannung verknüpft ist, wirkt zunächst ungewohnt, ist aber Teil des Standards.

Für eine einfache bidirektionale Verbindung genügen drei Leitungen: TxD (Transmit Data, der Sendeausgang), RxD (Receive Data, der Empfangseingang) und GND (die gemeinsame Masse als Bezugspunkt). Sendeleitung des einen Geräts geht auf die Empfangsleitung des anderen und umgekehrt. Darüber hinaus kennt RS232 optionale Handshake-Leitungen wie RTS (Request To Send) und CTS (Clear To Send), mit denen die Geräte den Datenfluss steuern können, damit der Empfänger nicht überrannt wird.

Als Steckverbinder hat sich der 9-polige Sub-D-Stecker durchgesetzt, oft als „DB9″ bezeichnet.

Die Schwäche der unsymmetrischen Übertragung zeigt sich bei Störungen und Entfernung. Da das Signal auf die gemeinsame Masse bezogen ist, schlägt jede Störung, die sich auf der Leitung einkoppelt, direkt auf den gemessenen Pegel durch. Deshalb ist RS232 in der Reichweite begrenzt – in der Praxis nur einige Meter bei höheren Baudraten – und auf moderate Bitraten beschränkt. Für eine kurze, störungsarme Verbindung zwischen zwei Geräten ist sie aber bis heute brauchbar und einfach.

RS485 setzt genau an der Schwachstelle von RS232 an. Statt das Signal gegen Masse zu messen, überträgt RS485 symmetrisch, also differenziell, über ein Leitungspaar mit den beiden Adern A und B. Die Information steckt nicht im absoluten Pegel einer Leitung, sondern in der Spannungsdifferenz zwischen A und B.

Der Vorteil dieses Prinzips wird sofort klar, wenn man sich eine Störung vorstellt: Eine elektromagnetische Einkopplung trifft beide Adern eines verdrillten Leitungspaars praktisch gleich stark. Sie hebt also beide Pegel gleichermaßen an oder ab. Die Differenz zwischen A und B bleibt dabei nahezu unverändert – und genau diese Differenz wertet der Empfänger aus. Auf diese Weise hebt sich die Störung weitgehend von selbst auf. Das macht RS485 enorm störfest und erlaubt deutlich größere Reichweiten als RS232, in der Praxis bis zu mehreren hundert Metern, sowie höhere Bitraten über kurze Strecken.

Der zweite große Unterschied: RS485 ist busfähig. An einem einzigen Leitungspaar können viele Teilnehmer hängen – typischerweise bis zu mehreren Dutzend Geräte an einem Strang. Das macht RS485 zur natürlichen physikalischen Grundlage für industrielle Netzwerke, in denen eine Steuerung mit vielen Sensoren, Antrieben oder Modulen reden muss.

Beim Betrieb unterscheidet man zwei Varianten. Im Halbduplex teilen sich alle Teilnehmer ein Leitungspaar; es kann immer nur einer zur Zeit senden, die anderen hören zu. Im Vollduplex gibt es zwei Leitungspaare, eines je Richtung, sodass gleichzeitig gesendet und empfangen werden kann. In der Automatisierung ist Halbduplex über zwei Adern weit verbreitet.

Ein praktischer Punkt, der RS485 von RS232 unterscheidet, ist die Terminierung. Bei langen Leitungen und höheren Bitraten verhält sich das Kabel wie eine Übertragungsstrecke, an deren Ende das Signal reflektiert wird, wenn der Abschluss nicht passt. Solche Reflexionen verfälschen das Signal. Deshalb wird an beiden Enden des Busses ein Abschlusswiderstand angebracht, der zum Wellenwiderstand der Leitung passt (üblich sind 120 Ω). Er schluckt das ankommende Signal, sodass nichts zurückläuft. Wichtig ist, dass nur die beiden physikalischen Busenden terminiert werden – nicht jeder Teilnehmer dazwischen. In der industriellen Praxis wird dieser Abschluss oft aktiv ausgeführt, also um einen Pull-up gegen die Versorgung und einen Pull-down gegen Masse ergänzt, um auch bei sendefreiem Bus einen definierten Ruhepegel zu sichern.

Beide Schnittstellen nutzen dasselbe Frame-Prinzip aus Kapitel 2 – der Unterschied liegt allein in der elektrischen Übertragung und ihren Folgen. Die direkte Gegenüberstellung macht das deutlich:

Daraus ergibt sich die Auswahl fast von selbst. Geht es um eine kurze, einfache Verbindung zwischen genau zwei Geräten in störungsarmer Umgebung – etwa ein Servicegerät an einer Steuerung – ist RS232 ausreichend und unkompliziert. Sobald aber Distanzen über wenige Meter, eine raue elektromagnetische Umgebung oder mehrere Teilnehmer ins Spiel kommen, führt an RS485 kein Weg vorbei.

Genau aus diesem Grund ist RS485 in der Automatisierungstechnik die dominierende serielle Physik. Die meisten industriellen Bussysteme, die eine Steuerung mit ihren Feldgeräten verbinden, setzen auf dieser differenziellen Zweidraht-Übertragung auf und ergänzen sie um ein eigenes Protokoll für Adressierung, Zugriffssteuerung und Datenformat. Diese Bus- und Protokollthemen sind eigene Beiträge in dieser Unterkategorie und folgen als nächste Schritte. Für das Verständnis hier genügt: Wer die Eigenschaften von RS485 kennt, versteht auch, warum so viele Feldbusse die elektrischen Grenzen einhalten, die RS485 vorgibt.