Introdução
Estamos vivendo um cenário de constante evolução tecnológica, e as redes de comunicação desempenham um papel muito importante neste processo, ganhando ainda mais importância com a disseminação da Internet das Coisas (IoT). Dentro desse contexto, o padrão RS-485 define aspectos físicos, como níveis de tensão, número máximo de dispositivos e alcance máximo para que a evolução dos dispositivos aconteça de uma forma padronizada, permitindo comunicação entre diferentes modelos, marcas e tipos de equipamentos.
Vale destacar que o RS-485 é um padrão físico, ou seja, não define questões como protocolos, endereçamento de rede, interpretação de dados e outros aspectos mais relacionados à lógica da aplicação.
Padrão RS-485
O padrão RS-485 significa Recommended Standard (em português, Padrão Recomendado) e foi definido pela TIA (Telecommunications Industry Association, em português, Associação da Indústria da Telecomunicação) e pela EIA (Electronics Industry Association, em português, Associação da Indústria de Eletrônicos). Além do padrão RS-485, existem diversos outros tipos, como RS-422 ou RS-232. Estes padrões definidos foram extremamente aceitos e difundidos por fabricantes de equipamentos, o que traz robustez e segurança nas aplicações, por este motivo, a AGEON utiliza amplamente em suas linhas de produtos.
O RS-485 (também chamado de EIA-485 ou TIA-485), é um padrão que define questões físicas de comunicação serial. A Camada Física das comunicações é a responsável pela transferência físicas dos sinais elétricos dos dados através dos cabos. Em termos simples, o EIA-485 fornece as regras e padrões para a comunicação eficaz entre dispositivos, como sensores e controladores, garantindo que a informação seja transmitida de maneira confiável e compreensível.
Funcionamento do padrão RS-485
O padrão RS-485 opera utilizando sinais diferenciais em um barramento de comunicação. Cada canal independente transmite um nível de tensão igual, porém com polaridade oposta. Essa abordagem de sinalização diferencial é crucial para aumentar a imunidade a interferências e ruídos presentes em ambientes industriais. Ao adotar essa técnica, a RS-485 consegue minimizar os efeitos de variações no potencial de terra dos diferentes dispositivos conectados à rede. Além disso, a leitura diferencial pelo receptor contribui para superar os desafios relacionados à degradação do sinal em longas distâncias de cabeamento.
A implementação do RS-485 envolve a utilização de cabos de dois ou três fios. Com 2 fios, um serve para envio do sinal de comunicação, e o segundo para envio do mesmo sinal, porém com polaridade oposta, ou seja o sinal invertido (conforme ilustrado na Figura 1). A comunicação a 3 fios segue como a de dois fios, porém com um terceiro para aterramento. Em ambos os casos, normalmente são de par trançado, podendo ser blindados ou não.
Figura 1 – Exemplo de sinais transmitidos no padrão RS-485 (sinais opostos).
Existem basicamente dois tipos de interferência, o que ocorre em ambos os fios (no par), e o que ocorre em apenas um dos fios. Diversas ações podem ser tomadas a fim de se reduzir tais interferências, como a utilização de fios de par trançados, filtros eletrônicos e bons projetos de hardware para se evitar flutuações na rede (sinais indesejados).
A utilização de cabos de par trançado reduz drasticamente o potencial de interferência nos condutores, pois entrelaçar dois fios, formando um par, faz com que suas correntes induzidas pelas perturbações externas se anulem mutuamente. Ainda que interferências ocorram, a presença de dois fios que transmitem sinais idênticos, porém invertidos, permite que ruídos sejam facilmente filtrados. Filtros eletrônicos são implementados nos dispositivos que utilizam o padrão RS485 a fim de se remover sinais indesejados. Bons projetos de hardware identificam a necessidade destes filtros e implementam nos dispositivos, além de criar mecanismos para que ruídos não sejam gerados internamente na rede, pelos próprios dispositivos conectados.
Figura 2 – Filtros eletrônicos de ruídos que ocorrem em ambos os fios.
Topologias para aplicação do padrão RS-485
Sendo RS-485 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. Neste caso, é possível conectar diferentes mestres (transmissores) e servos (receptores) em uma mesma rede, sendo que os transmissores devem esperar que a linha esteja livre para transmissão de dados. Estas características oferecem flexibilidade e eficiência ao padrão, permitindo a aplicação em diversos cenários distintos.
Existem diversas topologias para conexão de dispositivos, como Daisy Chain, barramento, ponto-a-ponto, anel, malha, árvore e estrela, sendo que cada topologia possui suas vantagens e desvantagens. A topologia recomendada para o padrão RS-485 é a Daisy chain, em que os dispositivos são interligados por meio de cabos ou fios, e a comunicação flui de um dispositivo para o próximo na sequência. Cada dispositivo na cadeia pode se comunicar diretamente com seus vizinhos imediatos na linha, tornando-o particularmente eficaz em ambientes industriais nos quais vários sensores, atuadores e controladores precisam se comunicar de maneira eficiente e confiável.
Figura 3 – Exemplos de topologias.
A topologia Daisy Chain tem algumas características notáveis, como a simplicidade (a configuração de Daisy chain é relativamente simples de implementar, pois os dispositivos são conectados sequencialmente), cabeamento simplificado (como os dispositivos estão conectados em série, o cabeamento pode ser mais simples em comparação com outras topologias), facilidade de expansão (pode ser fácil adicionar novos dispositivos à cadeia, conectando-os entre os dispositivos existentes). Esta topologia, em alguns casos específicos, pode não ser a mais indicada pois possui algumas limitações na detecção de falhas (uma vez que se houver falha em algum ponto da cadeia, pode afetar a comunicação de toda linha) e potencial para atrasos de propagação (como os dados se propagam de um dispositivo para o próximo, pode haver atrasos de propagação ao longo da cadeia). Para aplicações em que essas limitações sejam importantes de serem mitigadas, topologias mais complexas como anel ou estrela podem ser empregadas.
Figura 4 – Ilustração de topologia Daisy chain (half-duplex).
Aplicações e vantagens do padrão RS-485
O RS-485 é amplamente adotado em setores diversos, como medicina, automação, navegação, laboratórios e climatização. Suas vantagens incluem a capacidade de conectar vários dispositivos na mesma rede, resistência a interferências e imunidade a variações no potencial de terra, resultando em uma comunicação confiável mesmo em ambientes desafiadores.
A robustez do padrão RS-485 é evidente em seu desempenho consistente em ambientes desafiadores, como fábricas, por exemplo. A capacidade de lidar com interferências e variações no potencial de terra torna-o uma escolha confiável para sistemas que demandam estabilidade em condições adversas. Essa característica robusta é especialmente valiosa em aplicações industriais, onde fatores externos podem impactar a qualidade da comunicação.
Além das aplicações industriais gerais, o RS-485 encontra espaço em setores específicos, como a indústria médica, onde a comunicação confiável entre dispositivos é crítica. Em laboratórios de pesquisa, a capacidade do RS-485 de suportar longas distâncias torna-o uma escolha eficaz para conectar instrumentos em ambientes complexos. Essa adaptabilidade a diferentes contextos destaca a versatilidade do RS-485 em atender a diversas necessidades.
A segurança da comunicação é uma prioridade em muitos ambientes industriais. O RS-485, ao oferecer uma comunicação diferencial, não apenas reduz interferências, mas também contribui para a segurança dos dados transmitidos. Em um mundo cada vez mais conectado, onde a integridade das informações é crucial, a escolha do RS-485 é respaldada pela sua capacidade de proporcionar uma comunicação segura e confiável.
Modos de operação do padrão RS-485
O RS-485 pode operar tanto em modo half-duplex quanto full-duplex. O modo half-duplex é mais comum devido ao seu baixo custo e à eficiência já proporcionada pelo padrão em termos de velocidade. O modo full-duplex utiliza diferentes barramentos para cada direção da comunicação, enquanto o half-duplex utiliza um mesmo canal de comunicação para ambas as direções.
A comunicação half-duplex permite que os dispositivos transmitam ou recebam dados, mas não ambas as operações simultaneamente, semelhante a uma estrada de mão única. Exemplos comuns incluem sistemas push-to-talk em rádios bidirecionais. Por outro lado, a comunicação full-duplex permite a transmissão e recebimento simultâneos de dados, proporcionando maior eficiência, como em chamadas telefônicas tradicionais (em que um precisa escutar enquanto o outro fala, e vice-versa). A escolha entre half-duplex e full-duplex depende das necessidades específicas da aplicação, sendo half-duplex mais simples e requerendo menos recursos, enquanto full-duplex oferece maior eficiência e é preferido em situações que exigem comunicação bidirecional simultânea. Em redes como o padrão RS-485, a topologia e requisitos específicos do sistema influenciam na escolha entre esses modos de comunicação.
Figura 5 – Modo half-duplex (comunicação mestre-escravos e escravo mestres ocorre pelos mesmos condutores).
Figura 6 – Modo full-duplex (comunicação mestre-escravos e escravo mestres ocorre em condutores distintos).
Importante destacar que os controladores e sistemas de monitoramento da AGEON funcionam no modo half-duplex, e necessitam apenas do resistor R2 (120 Ω), pois o R1 já existe dentro do mestre. Esta característica traz facilidade no momento da montagem e instalação dos cabos de comunicação. A escolha do modo half-duplex foi feita também para simplificar
Conclusão
Em resumo, o RS-485 destaca-se pela versatilidade, resistência e desempenho em ambientes industriais desafiadores. Sua presença permanece sólida em diversas aplicações, oferecendo eficiência e confiabilidade. Este padrão, conhecido por sua adaptabilidade, continua a ser a escolha preferida nas comunicações, consolidando-se como uma peça fundamental na tecnologia contemporânea.
Sua robustez, adaptabilidade e capacidade de evoluir com as demandas do mercado o tornam uma escolha sólida em um mundo onde a comunicação eficiente é crucial. Por todas estas razões, a AGEON utiliza o RS-485 em aplicações, como a conexão do sistema de monitoramento a controladores de temperatura, para garantir a confiabilidade da comunicação e segurança nos projetos. Caso tenha alguma dúvida na utilização do RS-485 em nossos produtos, entre em contato que estamos à disposição para ajudar.