Link Network Protocol auf RS-485-Basis Serielles Gerätenetzwerk

Serieller Kommunikations-Dauerbrenner mit Link-Network Protocol
Serieller Kommunikations-Dauerbrenner mit Link-Network Protocol

Serielle Kommunikation ist ein Dauerbrenner: einfach, robust, günstig. Allerdings ist RS-485 kein Plug-and-Play-Standard. Hier hilft das Link Network Protocol, das Daten von Knoten zu Knoten weiterreicht und die Installation vereinfacht.

Die serielle Schnittstelle nach dem RS-485-Standard hat auch in Zeiten des IoT ihre Berechtigung nicht verloren, ganz im Gegenteil. Denn oft werden Geräte über ein Gateway mit dem Internet verbunden. Bis zum Gateway kann eine einfachere Vernetzung erfolgen, die an Topologie, räumliche Ausdehnung und Bandbreiteanforderung der Geräte angepasst ist. RS-485 überträgt mit 115,2 kbit/s über eine Entfernung von bis zu 1.000 m. Bei kürzeren Distanzen kann auch eine Datenrate von bis zu 10 Mbit/s erreicht werden. An die Verkabelung, die aus nur zwei Drähten besteht, werden nur geringe Anforderungen gestellt. Galvanische Trennung oder Übergang auf Lichtleiter ist mit günstigen Standard-Komponenten problemlos möglich. Außerdem belastet die serielle Kommunikation moderne Mikrocontroller kaum.

Ein paar Nachteile gibt es aber doch: etwa die erforderliche Terminierung des Busses und der Konfigurationsaufwand – denn RS-485 ist kein Plug-and-Play-System. Das Ingenieurbüro Seng ditiale Systeme hat sich dieser Probleme angenommen und ein „Link Network Protocol“ für die einfache Vernetzung mit RS-485 entwickelt. Das Netzwerk ist dabei aus Knotenrechnern aufgebaut, die jeweils Punkt-zu-Punkt verbunden sind. Derzeit sind Linear-, Baum- und Ring-Topologien möglich (Bild 1). Auch vermaschte Netzwerke wären theoretisch realisierbar, wurden aber mangels Nachfrage bisher nicht umgesetzt. „Bei einer Maschenstruktur wäre ein Routing erforderlich. Das würde den Umfang des Codes etwa um das zwei- bis dreifache ansteigen lassen“, sagt Entwickler Peter Seng. Der Lohn der Mühe wäre eine noch zuverlässigere Kommunikation, weil der Ausfall eines Segments unkritisch sich durch andere Routen umgehen ließe.

Plug-and-Play für RS-485

Über die Peer-to-Peer-Verbindungen erfolgt eine nachrichtenorienterte Kommunikation. Alle Knoten sind gleichberechtigt. Die Verbindungen eines Netzwerkes können mit verschiedenen Übertragungsraten betrieben werden, was eine schnelle, lokale Kommunikation ermöglicht. Jeder Knoten kann, sofern gerade keine Kommunikation stattfindet, eine Kommunikation starten und eine Nachricht in das Netzwerk einspeisen. Jede Nachricht die von einem Knoten über einen Link empfangen wird, wird in einem internen Nachrichtenspeicher abgelegt. Die Nachrichten im Speicher werden ausgewertet und, sofern keine Filter- oder Laufweiten-Kriterien entgegenstehen, anschließend auf allen seither unbeteiligten Links des Knoten gesendet. Somit breitet sich eine Nachricht im Netz aus, bis sie durch Filter- und Laufweiten-Kriterien erlischt, oder sich über das ganze Netzwerk verbreitet hat. Bereits während der Produktion wird jedem Knoten eine eindeutigen Adresse und eine Herstellerkennung zugewiesen. Diverse Adressierungs- und Filterfunktionen gestatten eine effiziente und segmentierbare Kommunikation. Die Summe dieser Eigenschaften ermöglicht den Einsatz des Protokolls in Systemen bei denen Plug-and-Play-Eigenschaften notwendig sind.

Für die Zustands- und Fehlererkennung wird der Link-Status über jeweils eine LED visualisiert. Normalerweise sind Knoten mit einer USB-Schnittstelle ausgestattet, an welche zu Konfigurations¬zwecken ein Terminal angeschlossen werden kann, und die als Brücke zwischen Netzwerk und einem Hostrechner dienen kann. Die sichere Zustellung der Nachrichten wird über eine CRC-16-Prüfsumme, Handshake und eine automatische Wiederholung der Nachrichten im Fehlerfall gewährleistet. Der Ausfall eines Knotens führt nicht zum Ausfall des Netzwerkes sondern lediglich maximal zu einer Segmentierung.