Lo standard RS485 è dal punto di vista elettrico molto simile all'RS422.

La differenza sostanziale è il supporto delle linee multi-drop, cioè linee che presentano la coesistenza di più ricevitori e trasmettitori sulla stessa coppia di fili. Al fine di evitare conflitti è ovviamente necessario che un solo trasmettitore alla volta sia attivo. Questo implica l'uso di trasmettitori che, oltre alle uscite corrispondenti allo zero e all'uno, possano gestire anche un "terzo stato" in cui l'elettronica appare come fisicamente non collegata alla linea (stato detto ad alta impedenza o Hi-Z).

I ricevitori possono invece essere tutti attivi contemporaneamente ed in genere lo sono.

La topologia più usata con questo protocollo è quella a due fili (oltre alla massa) rappresentata nello schema seguente. Questa connessione permette la trasmissione bidirezionale(ma ovviamente non contemporanea) tra due o più nodi che, dal punto di vista elettrico, sono tra loro equivalenti.

La sezione rice-trasmittente di ciascuno dei nodi è evidenziato nella figura da un rettangolo blu. Le connessioni verso la linea sono costituite semplicemente dai due terminali A e B comuni sia alla sezione di ricezione che a quella di trasmissione e dalla massa. Possono essere ovviamente presenti dei moduli dotati del solo ricevitore o, caso meno probabile, del solo trasmettitore.

Ciascun modulo trasmettitore possiede, oltre un ingresso dati, anche un ingresso di abilitazione alla trasmissione, pilotato localmente, che permette di disabilitare il trasmettitore quando non serve: al fine di evitare conflitti è necessario prevedere un qualche meccanismo che impedisca l'attivazione contemporanea di più trasmettitori oppure sia in grado rilevare tali conflitti ed intervenire opportunamente. I driver RS485 sono comunque progettati per non riportare danni anche in caso di corto circuito permanente, limitando la corrente massima a 250 mA.

Lo standard permette la connessione di massimo 32 ricevitori.

Adattamento di impedenza

In prima approssimazione, in un sistema digitale il concetto di "linea di trasmissione" deve essere applicato ogni volta in cui la durata di un bit è minore di 10 volte il tempo necessario al segnale a percorrere la distanza tra trasmettitore e ricevitore oppure il tempo di salita dei segnali è maggiore di 5 volte il tempo di trasmissione.

La descrizione dei fenomeni associati alle linee di trasmissione vanno oltre gli scopi di questo tutorial ma, per una comprensione almeno approssimativa è necessario tenere presente che:

• Il segnale elettrico si propaga nei conduttori ad una velocità finita, prossima a 2/3 di quella della luce.

• Ciascun cavo è caratterizzato da parametri elettrici di tipo distribuito sintetizzabili con l'impedenza caratteristica Zo, un valore resistivo indipendente dalla lunghezza del cavo, dato dal produttore e non misurabile con strumenti hobbistici.

• Se la resistenza di uscita di un trasmettitore e la resistenza di ingresso di un ricevitore non sono uguali all'impedenza caratteristica della linea usata, si generano riflessioni del segnale cioè, mi si scusi il paragone poco preciso, il segnale "torna indietro" quando raggiunge la fine del cavo, causando interferenze non trascurabili. Si usa dire, per indicare l'uguaglianza delle tre resistenze, che le linee di trasmissione devono essere "adattate" oppure "terminate", operazione che si riduce a volte all'aggiunta di uno o più resistori.

Purtroppo non sempre è comodo terminare le linee (non tanto per i costi quanto per il maggior assorbimento di corrente, una certa attenuazione del segnale, la difficoltà di manutenzione e/o estensione della rete) per cui è prima opportuno chiedersi se tale operazione sia effettivamente necessaria in una specifica applicazione.

I due parametri fondamentali da considerare sono ovviamente la lunghezza del cavo e la velocità di trasmissione. Una buona regola empirica che si rifà a quanto detto nell'introduzione al paragrafo afferma che la terminazione non è necessaria nel caso in cui la durata di un singolo bit è molto maggiore del tempo impiegato dal segnale per percorrere l'intera linea. Normalmente per "molto maggiore" si intende almeno dieci volte più grande. Questa regola trae origine dal fatto che le eventuali riflessioni vengono attenuate dalla resistenza del cavo stesso e nel volgere di poco tempo divengono trascurabili. Siccome la misura della tensione viene normalmente effettuata dal ricevitore al centro del bit, è possibile trascurare gli effetti delle riflessioni se è trascorso un tempo sufficiente rispetto al fronte del segnale.

Come esempio pratico, si consideri una linea di 1200 metri, il massimo previsto dallo standard RS485. Sapendo che un segnale elettrico si propaga in un cavo tipico a circa 2/3 della velocità della luce, il tempo impiegato per percorrere tale distanza è approssimativamente in 6 us.

Se la trasmissione avviene a 9600 bit/s la durata di un singolo bit è 104 us, valore decisamente maggiore di 6, e quindi è possibile non terminare la linea senza effetti negativi sulla qualità del segnale. Se sulla stessa linea la trasmissione fosse effettuata a 115.000 bit/s la terminazione sarebbe invece indispensabile in quanto il singolo bit dura circa 8 us. Infine, se la linea fosse di soli 10 metri, anche a 230.000 bit/s la terminazione potrebbe essere evitata in quanto il tempo impiegato per percorrere il tratto di linea è dell'ordine dai 50 ns e la durata del bit circa 4000 ns.

Terminazione parallela

Il metodo di terminazione che offre le migliori prestazioni è quello cosiddetto parallelo. Nel caso di trasmissioni punto-punto, in parallelo al ricevitore ed il più possibile vicino ad esso è necessario inserire tra i terminali A e B un resistore di valore pari all'impedenza caratteristica della linea Zo.

I valori del resistore, usando i cavi normalmente impiegati per questo scopo, sono compresi tra 100 e 120 ohm. Nelle trasmissioni ad alta velocità è opportuno usare resistori di tipo non induttivo (per esempio a carbone).

Nel caso un solo trasmettitore e più ricevitori sulla stessa linea è necessario mettere il trasmettitore ad un estremo della linea e l'unica resistenza di terminazione all'estremo opposto. I ricevitori intermedi non vanno connessi a resistenze aggiuntive.

Nel caso di connessioni multi-drop, le resistenze da inserire sono due, anche in questo caso pari ciascuna a Zo. Queste due resistenze vanno poste agli estremi fisici della linea, non necessariamente in corrispondenza di un ricevitore o di un trasmettitore.

Le prestazioni di questo tipo di terminazione sono molte buone dal punto di vista elettrico ma hanno il problema di richiedere un elevato assorbimento di corrente: considerando la situazione normale con una resistenza di 100 ohm ed una tensione differenziale di 5 V, il trasmettitore deve generare una corrente di 50 mA oltre a quella assorbita dai ricevitori. Tale valore deve essere raddoppiato nelle linee multi-drop in quanto le resistenze sono due.

Un secondo problema legato alle linee multi-drop deriva dal fatto che le connessioni tra i nodi centrali ed il bus (i cosiddetti stub) devono essere mantenuti il più breve possibile in quanto non è possibile inserire su ciascuno di essi un resistore di terminazione

Terminazione serie

La terminazione serie è utilizzata nel caso di trasmissioni punto-punto. In questo caso due resistori pari a metà dell'impedenza di linea meno l'impedenza di uscita del trasmettitore sono poste in serie alle due uscite del trasmettitore: in questo modo le riflessioni create dal segnale in corrispondenza del ricevitore sono assorbite appena tornano al trasmettitore.

Da notare che molti trasmettitori hanno l'impedenza di uscita prossima a 100 ohm e quindi la terminazione serie è "automaticamente" presente.

Il metodo non è applicabile ai sistemi multi-drop in quanto i ricevitori intermedi osservano i segnali riflessi.

Terminazione AC

La terminazione di tipo AC cerca di risolvere i problemi di assorbimento di corrente della terminazione parallela, particolarmente sentiti per esempio in applicazioni alimentate a batteria. L'idea è quella di inserire in serie al resistore di terminazione un condensatore che ha lo scopo di annullare l'assorbimento di corrente in assenza di trasmissione.

Le caratteristiche di questo tipo di terminazione sono di poco inferiori a quelle della terminazione parallela come qualità del segnale ma sono utili solo alle velocità più basse in quanto, salendo in frequenza, l'impedenza del condensatore diviene trascurabile.

La selezione dei cavi

La selezione dei cavi è un aspetto spesso trascurato ma che nelle installazioni che richiedono alte velocità e grandi distanze è di fondamentale importanza. Infatti lungo il cavo il segnale subisce delle perdite a causa della resistenza non nulla del conduttore e delle perdite dovute al tipo di dielettrico usato per l'isolamento.

Il cavo richiesto per le connessioni RS422 ed RS485 è costituito da un doppino cioè di una coppia di cavi attorcigliati su se stessi e posti all'interno di una guaina isolante. Non sono adatti per nessun tipo di applicazione collegamenti realizzati utilizzando cavi non attorcigliati, tranne che tratte di poche decine di centimetri in ambienti non elettricamente rumorosi e a velocità basse.

Il primo parametro da considerare è ovviamente il numero di conduttori, ricordandosi che è necessario prevedere anche la presenza del riferimento: nel caso di una rete RS485 è quindi tipicamente necessario predisporre un cavo con un doppino ed un terzo filo per il riferimento. Nella realizzazioni di reti in cui il costo è un aspetto importante è comune l'utilizzo del filo di riferimento anche per l'alimentazione dei circuiti periferici, con l'aggiunta di un quarto filo per l'alimentazione non stabilizzata: ovviamente la soluzione è praticabile solo se la corrente assorbita è piccola e le distanze non eccessive.

L'impedenza caratteristica del cavo è un aspetto da verificare nel caso di velocità elevate anche se i valori necessari, compresi tra 100 e 150 ohm, sono quelli più comuni. Nel caso di trasmissioni ad alta velocità è importante mantenere bassa la capacità del cavo per metro lineare per non sovraccaricare troppo i driver.

In genere l'uso di cavi schermati non è necessario neppure negli ambienti industriali più rumorosi. Se non ci sono particolari problemi di peso, elevata velocità, difficoltà di montaggio o costo potrebbe comunque essere opportuna l'adozione dei cavi schermati per la maggiore resistenza meccanica più che per ragioni di tipo elettrico.

Doppino

Un doppino (twisted pair) è costituito da una coppia di fili tra di loro attorcigliati in modo da formare una decina di spire per ogni metro. L'esempio più noto è forse il doppino bianco/rosso usato negli impianti telefonici.

Si tratta del metodo migliore per ridurre le interferenze ed è obbligatorio sia per la RS422 che per la RS485. Se usato in configurazioni differenziali permette infatti di garantire prestazioni adeguate anche in ambienti molto rumorosi e su grandi distanze.

Un po' di teoria. I disturbi trasmessi tra due conduttori generici possono essere classificati in due modi:

• Trasmessi per effetto delle capacità parassite: dati due fili tra di loro isolati, si forma una struttura simile ad un condensatore (due conduttori separati da un dielettrico). Se tra i due conduttori vi è una differenza di potenziale variabile, nel condensatore parassita passa corrente che fa interferire i segnali presenti. Ovviamente l'effetto è influenzato dalla distanza, dalla lunghezza/superficie, dalla frequenza del segnale e dall'ampiezza della tensione.

• Trasmessi per effetto induttivo: dato un filo in cui scorre corrente viene generato un campo magnetico. Se è presente un secondo conduttore che forma una spira chiusa, viene generata una tensione se il campo magnetico è variabile. In questo caso l'effetto è proporzionale alla frequenza, alla distanza, all'area della spira e al suo orientamento, all'intensità della corrente.

Il doppino permette di ridurre entrambi questi effetti. L'uso di cavi attorcigliati è praticamente l'unica richiesta nella specifica dei cavi.

Cavi schermati

Un cavo schermato (shielded) è costituito da un cavo intorno al quale è presente un conduttore tubolare (detto calza, shield o schermo) che lo avvolge completamente che ha lo scopo di ridurre le influenze dell'ambiente esterno sui conduttori.

Due sono le soluzioni spesso adottate:

• Lo schermo è unico e racchiude tutti i conduttori necessari. Le prestazioni sono buone nei confronti dei disturbi di origine esterna ma poco efficace nei disturbi di "crosstalk" tra i vari conduttori

• Ogni coppia di conduttori ha un proprio schermo, soluzione più costosa ma utile per evitare disturbi tra i segnali

L'efficienza dello schermo, oltre che dalle caratteristiche costruttive e dai materiali, dipende dalla frequenza del segnale di disturbo e dal tipo di accoppiamento.

Un caso concreto è rappresentato dai disturbi generati dai cavi di alimentazione in quanto, per ragioni di cablaggio, i cavi di segnale ed i cavi di alimentazione occupano per lunghi tratti gli stessi passaggi. In questo caso un cavo schermato permette di ridurre gli effetti dei disturbi causati per "effetto capacitivo".

Lo schermo è invece inutile nella riduzione degli effetti causati dalla corrente attraverso gli accoppiamenti induttivi: infatti i comuni materiali sono "trasparenti" ai campi magnetici, almeno a bassa frequenza.

Per funzionare correttamente lo schermo deve essere collegato ad un potenziale fisso, normalmente la terra. Tale collegamento può essere effettuato ad un solo capo (soluzione scelta quando il segnale è a bassa velocità) e da ambedue i capi (soluzione nella quale è opportuno l'uso di un condensatore se si vogliono evitare correnti causate dalla differenza di potenziale tra diversi punti della terra).

Lo standard RS422 non da indicazioni relativamente all'uso o meno della schermatura anche se è comunque necessario prevedere comunque l'uso di doppini anche in caso di schermatura.