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Modbus e l’interfaccia RS-485

Il protocollo Modbus è stato sviluppato da Modicon e pubblicato nel 1979 per la trasmissione seriale di informazioni e dati e per l’utilizzo di controller logici programmabili. Questo protocollo è infatti utilizzato secondo l’architettura master/slave e supporta diverse interfacce, come RS-232, RS-422 e RS-485, il cui funzionamento approfondiremo nel corso di questo articolo.

Il sistema master/slave prevede l’interazione tra un dispositivo centrale che è detto appunto master che invia e riceve anche informazioni da uno o più dispositivi slave a esso collegati. In tal modo il master ottiene informazioni dagli slave e può volendo anche scrivere nei registri degli stessi.

Il dispositivo slave, a sua volta, risponde alle richieste del master e non ha autonomia per cominciare il trasferimento di dati, dunque è fermo a un modello di mantenimento finché non riceve un segnale dal master. Questo tipo di sistema è utilizzato da ormai quasi 50 anni in diversi ambiti, come ad esempio nei sistemi di automazione industriale, nei sistemi di gestione degli edifici e anche nei sistemi di sicurezza ecc.

La semplicità di utilizzo del protocollo Modbus e la sua efficienza gli hanno garantito questo successo duraturo negli anni, e proprio per questo le interfacce si sono evolute e hanno subito delle modifiche per adattarsi agli attuali e più moderni mezzi di trasmissione, come ad esempio la fibra ottica. Proprio per questo molto spesso è necessario, per poterli utilizzare, fornirsi di convertitori da seriale a fibra ottica, come ad esempio quelli acquistabili su Moxa Distry Shop.

Vediamo nel particolare il funzionamento dell’interfaccia Modbus RS-485 nel prossimo paragrafo.

Il funzionamento dell’interfaccia Modbus RS-485

Tutte le interfacce utilizzate nella comunicazione seriale hanno un comune progenitore in RS-232, che è senza dubbio la più famosa in quanto è appunto la prima e più utilizzata di tutte. Ci sono però diverse interfacce seriali che possono essere utilizzate anche laddove non è possibile usare RS-232, e dunque anche per scopi differenti.

RS-232 è infatti pensata per connettere un DTE, ovvero un “data terminal equipment”, con un “data communication equipment” o DCE, con una velocità massima di 20 kbps e una lunghezza massima del cavo di poco più di 15 metri. Questo era ampiamente sufficiente nel passato, quando cioè quasi tutti i computer erano connessi tra loro grazie a l’utilizzo di modem.

Col passare del tempo però si è cominciato a richiedere di più alle interfacce, ovvero c’è stata l’esigenza di connettere i DTE direttamente senza l’utilizzo di un modem; di connettere diversi DTE in un unico network; di inviare informazioni su distanze più lunghe e più velocemente.

In quanto a questo, RS-485 è l’interfaccia più versatile di tutte e soddisfa tutte queste esigenze elencate. È per questo che RS-485 è ampiamente usata attualmente nell’acquisizione di dati e nel controllare applicazioni dove più nodi comunicano con altri.

Volendo fare un paragone tra queste due interfacce, possiamo utilizzare l’esempio dell’immunità dal rumore. Uno dei maggiori limiti di RS-232 è infatti proprio questa mancanza di immunità dal rumore, che invece non ritroviamo in RS-485.

Infatti anche grandi differenze di voltaggio rispetto al ground level non causano nessun problema. I segnali RS-485 sono fluttuanti e ognuno di esso viene trasmesso su una linea Sig+ e una Sig-; il ricevitore compara la differenza di segnale tra le due linee e questo previene il fenomeno denominato loop di massa.

Questo è un problema che si verifica frequentemente quando due o più dispositivi condividono un collegamento di massa o di messa a terra, ed è quindi molto utile che l’interfaccia RS-485 prevenga questo problema. Il risultato è ancora migliore quando le linee Sig+ e Sig- sono intrecciate e non parallele.

Infatti tra le due linee si viene a generare un campo magnetico (come è ovvio che avvenga tra due cavi attraversati da corrente), ed è proprio questo campo magnetico che va a causare il rumore sulla linea. Quando i cavi sono paralleli queste correnti di rumore fluiscono nella stessa direzione, mentre invece quando questi sono intrecciati le correnti si oppongono, e ciò porta ad abbassare notevolmente il rumore. Se poi si richiede un’immunità al rumore ancora maggiore, si possono affiancare ai cavi intrecciati anche dei sistemi di schermatura.

Con l’interfaccia RS-485 è possibile comunicare inoltre a distanze molto maggiori rispetto a quelle possibili con RS-232, infatti si arriva anche a 1200 metri. Il suo segnale differenziale permette inoltre un maggiore traffico di dati ad una velocità maggiore, raggiungendo i 35 mbps.

Anche per questo al momento questa è l’interfaccia più utilizzata, ma ci sono anche altri motivi. RS-485 è infatti l’unica interfaccia capace di connettere più trasmettitori e più ricevitori nello stesso network. È possibile infatti collegare fino a 32 dispositivi con la versione standard, mentre con quella ad alta resistenza si arriva addirittura a 256.

Sono inoltre disponibili dei ripetitori RS-485 che permettono di moltiplicare il numero dei nodi di diverse centinaia, e il tutto con l’utilizzo di software non troppo diversi da quelli di RS-232. Anzi, è possibile anche utilizzare convertitori da RS-485 a RS-232, per avere una soluzione efficiente ed economica. Ecco perché RS-485 è così utilizzata in computer, PLC, micro controller e sensori intelligenti anche nel campo della scienza e della tecnologia.

Per ottenere maggiori velocità e linee più lunghe, è necessario applicare delle resistenze finali a entrambe le estremità delle linee per eliminare anche il fenomeno della riflessione del segnali, molto comune nei collegamenti a lunga distanza. Solitamente si utilizza una resistenza di 100 Ω.

Come funziona RS-485?

Nei protocolli di più alto livello, abbiamo uno dei nodi che si comporta da master e invia richieste o comandi a tutti gli altri nodi. A seconda delle informazioni trasmesse, un diverso numero di nodi slave risponde al master. In questo modo la lunghezza di banda è sfruttata al 100%.

Altre versioni più avanzate di RS-485 prevedono anche che ogni nodo può avviare una sessione di dati, il che può essere comparato al funzionamento delle reti ethernet, ma in questo caso solo il 37% della lunghezza di banda viene effettivamente utilizzato.

Per quanto riguarda la piedinatura del connettore RS-485, vengono utilizzati i connettori DB9 a 9 piedini e DB25 a 25 piedini. L’interfaccia ha segnali diversi in base alle configurazioni differenziali. CTS+ e CTS- e RTS+ e RTS- sono utilizzati con segnali per handshake, mentre TxD+ e TxD- trasmettono i dati e RxD+ e RxD- li raccolgono.

In conclusione possiamo dire che la versatilità di RS-485 e i suoi numerosi pregi in confronto alle altre interfacce, le conferiscono il titolo di interfaccia del futuro e senza dubbio essa è destinata ad avere sempre più successo e sempre maggiori applicazioni.

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