使用現(xiàn)場(chǎng)總線更快、更遠(yuǎn)

作者：Neil Quinn and Richard Anslow

PROCENTEC等行業(yè)專家展示了基于RS-485的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（PROFIBUS）采用和工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）快速增長(zhǎng)的穩(wěn)步增長(zhǎng)。2018年，全球安裝了6100萬(wàn)個(gè)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)，其中PROFIBUS過(guò)程自動(dòng)化（PA）同比增長(zhǎng)7%。PROFINET 的安裝基礎(chǔ)為 2600 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，僅在 2018 年就安裝了 510 萬(wàn)臺(tái)設(shè)備。

隨著RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線采用率的穩(wěn)步增長(zhǎng)和工業(yè)4.0加速智能互聯(lián)工廠的部署，確保現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得到優(yōu)化有助于實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)。優(yōu)化的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)必須仔細(xì)平衡EMC穩(wěn)健性和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

不可靠的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)降低整體系統(tǒng)性能。在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)總線通常用于單軸或多軸電機(jī)的閉環(huán)位置控制。高數(shù)據(jù)速率和長(zhǎng)電纜很常見(jiàn)，如圖1所示。如果位置控制不可靠，那么性能下降實(shí)際上意味著機(jī)器吞吐量質(zhì)量降低和工廠生產(chǎn)率降低。在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)總線通常用于天線的傾斜/位置控制，其中準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。在運(yùn)動(dòng)控制和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，都需要不同級(jí)別的EMC保護(hù)，如圖1所示。運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用通常在電氣噪聲環(huán)境中運(yùn)行，這可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。相比之下，必須保護(hù)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施免受暴露環(huán)境中的破壞性間接雷擊。

圖1.RS-485的EMC、數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度。

對(duì)于這些要求苛刻的應(yīng)用，需要仔細(xì)檢查電纜上的RS-485收發(fā)器定時(shí)性能，以確?？煽康南到y(tǒng)以及EMC表征。本文介紹了一些關(guān)鍵的系統(tǒng)定時(shí)和通信電纜概念;提供關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括時(shí)鐘和數(shù)據(jù)分配以及電纜驅(qū)動(dòng)能力;并展示了使用下一代ADM3065E/ADM3066E RS-485收發(fā)器的工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

定時(shí)性能

當(dāng)考慮在長(zhǎng)電纜上以高數(shù)據(jù)速率進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，時(shí)序性能概念（例如抖動(dòng)和偏斜（通常與低壓差分信號(hào)（LVDS）有關(guān)）對(duì)于RS-485變得非常重要。需要檢查RS-485收發(fā)器和系統(tǒng)電纜增加的抖動(dòng)和歪斜。

抖動(dòng)和偏斜

抖動(dòng)可以量化為時(shí)間間隔誤差;信號(hào)轉(zhuǎn)換的預(yù)期到達(dá)時(shí)間與實(shí)際轉(zhuǎn)換到達(dá)時(shí)間之間的差異。在通信鏈路中，抖動(dòng)有多種因素。每個(gè)貢獻(xiàn)者都可以被廣義地描述為隨機(jī)或確定性。隨機(jī)抖動(dòng)可以從其高斯分布中識(shí)別出來(lái)，并且源于半導(dǎo)體內(nèi)的熱噪聲和寬帶散粒噪聲。確定性抖動(dòng)來(lái)自通信系統(tǒng)內(nèi)的源;例如，占空比失真、串?dāng)_、周期性外部噪聲源或碼間干擾。在使用RS-485標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)速率低于100 MHz，其中這些確定性抖動(dòng)效應(yīng)主導(dǎo)隨機(jī)效應(yīng)。

峰峰值抖動(dòng)值是確定性來(lái)源產(chǎn)生的總系統(tǒng)抖動(dòng)的有用度量。峰峰值抖動(dòng)可以通過(guò)在同一顯示器上疊加大量信號(hào)轉(zhuǎn)換（通常稱為眼圖）在時(shí)域中檢查。這可以在使用無(wú)限持久性的示波器顯示器上實(shí)現(xiàn)，也可以使用示波器的內(nèi)置抖動(dòng)分解軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖 2 所示。2

圖2.時(shí)間間隔誤差、抖動(dòng)和眼圖。

疊加過(guò)渡的寬度是峰到峰值抖動(dòng)，中間的開(kāi)放區(qū)域稱為眼圖。該眼圖是接收節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)RS-485電纜遠(yuǎn)端可用采樣的區(qū)域。更大的眼圖寬度為接收節(jié)點(diǎn)提供了更寬的采樣窗口，并降低了錯(cuò)誤接收位的風(fēng)險(xiǎn)?？捎玫难蹐D主要受RS-485驅(qū)動(dòng)器和接收器以及互連電纜的確定性抖動(dòng)貢獻(xiàn)的影響。

圖3顯示了通信網(wǎng)絡(luò)中的各種抖動(dòng)源。在基于RS-485的通信系統(tǒng)中，影響時(shí)序性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素是收發(fā)器脈沖偏斜和碼間干擾。脈沖偏斜，也稱為脈沖寬度失真或占空比失真，是收發(fā)器在發(fā)射和接收節(jié)點(diǎn)引入的一種確定性抖動(dòng)形式。脈沖偏斜定義為信號(hào)上升沿和下降沿之間的傳播延遲之差。在差分通信中，這種偏斜會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的交叉點(diǎn)，并在傳輸?shù)?0 和 1 的持續(xù)時(shí)間之間產(chǎn)生不匹配。在時(shí)鐘分配系統(tǒng)中，過(guò)大的脈沖偏斜表現(xiàn)為發(fā)射時(shí)鐘占空比的失真。在數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)中，這種不對(duì)稱性增加了眼圖中觀察到的峰峰值抖動(dòng)。在這兩種情況下，過(guò)度的脈沖偏斜都會(huì)對(duì)通過(guò)RS-485傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生負(fù)面影響，并降低可用的采樣窗口和整體系統(tǒng)性能。

圖3.RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中抖動(dòng)的主要因素。

當(dāng)信號(hào)邊沿的到達(dá)時(shí)間受到經(jīng)過(guò)該邊沿的數(shù)據(jù)模式的影響時(shí)，就會(huì)發(fā)生碼間干擾（ISI）。碼間干擾效應(yīng)在電纜互連較長(zhǎng)的應(yīng)用中變得突出，使ISI成為RS-485網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵貢獻(xiàn)者。較長(zhǎng)的互連會(huì)產(chǎn)生一個(gè)RC時(shí)間常數(shù)，其中電纜電容在單個(gè)比特周期結(jié)束時(shí)尚未完全充電。在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)僅由時(shí)鐘組成的應(yīng)用中，不存在這種形式的碼間干擾。碼間干擾也可能由電纜傳輸線上的阻抗不匹配、線路短截線或端接電阻器使用不當(dāng)引起。具有高輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的RS-485收發(fā)器通常有助于將ISI效應(yīng)降至最低，因?yàn)樗鼈冃枰俚臅r(shí)間來(lái)為RS-485電纜的負(fù)載電容充電。

可容忍的峰峰值抖動(dòng)百分比高度依賴于應(yīng)用，通常使用10%抖動(dòng)來(lái)基準(zhǔn)測(cè)試RS-485收發(fā)器和電纜性能的組合。過(guò)度抖動(dòng)和偏斜的組合會(huì)影響接收RS-485收發(fā)器的采樣能力，從而增加通信錯(cuò)誤的可能性。在正確端接的傳輸網(wǎng)絡(luò)中，選擇經(jīng)過(guò)優(yōu)化的收發(fā)器以最大程度地減少收發(fā)器脈沖偏斜和碼間干擾效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)更可靠、無(wú)差錯(cuò)的通信鏈路。

RS-485 收發(fā)器設(shè)計(jì)和電纜效果

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 標(biāo)準(zhǔn)3提供RS-485發(fā)射器和接收器的設(shè)計(jì)和工作范圍規(guī)格，包括電壓輸出差分（VOD）、短路特性、共模負(fù)載以及輸入電壓閾值和范圍。RS-485 時(shí)序性能（包括偏斜和抖動(dòng)）未在 TIA-485-A/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)中指定，由 IC 供應(yīng)商根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)范進(jìn)行優(yōu)化。

其他標(biāo)準(zhǔn)，如 TIA-568-B.2/EIA-568-B.2，雙絞線布線的電信標(biāo)準(zhǔn)4提供電纜交流和直流對(duì)RS-485信號(hào)質(zhì)量的影響的背景。該標(biāo)準(zhǔn)提供了抖動(dòng)、偏斜和其他時(shí)序測(cè)量的注意事項(xiàng)和測(cè)試程序，并設(shè)置了性能限制;例如，允許的最大 5e 類電纜傾斜為每 100 m 45 ns。 ADI公司應(yīng)用筆記AN-1399更詳細(xì)地討論了TIA-568-B.2/EIA-568-B.2標(biāo)準(zhǔn)，以及使用非理想布線對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

雖然現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了有用的信息來(lái)源，但任何有意義的系統(tǒng)時(shí)序性能表征都需要在長(zhǎng)電纜上測(cè)量RS-485收發(fā)器。

通過(guò)RS-485更快、更遠(yuǎn)地通信

ADM3065E RS-485收發(fā)器具有超低發(fā)射器和接收器偏斜性能，這使得這些器件非常適合傳輸精密時(shí)鐘，而精密時(shí)鐘通常在EnDat 2.2等電機(jī)編碼標(biāo)準(zhǔn)中具有這種特性。5經(jīng)證明，ADM3065E在電機(jī)控制應(yīng)用中遇到的典型電纜長(zhǎng)度（圖4和圖5）的確定性抖動(dòng)不到5%。ADM3065E的寬電源范圍意味著這種時(shí)序性能水平適用于需要3.3 V或5 V收發(fā)器電源的應(yīng)用。

圖4.ADM3065E典型時(shí)鐘抖動(dòng)性能

圖5.ADM3065E接收眼圖：25 MHz時(shí)鐘分布在100 m電纜上。

除了出色的時(shí)鐘分配外，ADM3065E的定時(shí)性能還具有可靠的數(shù)據(jù)分配，具有高速輸出和最小的附加抖動(dòng)。圖6顯示，通過(guò)使用ADM3065E，RS-485數(shù)據(jù)通信通常引用的時(shí)序限制大大放寬。標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器通常以10%或更低的抖動(dòng)工作。ADM3065E可以在長(zhǎng)達(dá)100米的電纜上以大于20 Mbps的速度工作，并且在接收節(jié)點(diǎn)上仍保持10%的抖動(dòng)。這種低抖動(dòng)水平降低了接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤采樣的風(fēng)險(xiǎn)，并提高了以前使用典型RS-485收發(fā)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的傳輸可靠性。在接收節(jié)點(diǎn)可以承受高達(dá) 20% 的抖動(dòng)水平的應(yīng)用中，跨 100 m 電纜線路可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 35 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。

圖6.ADM3065E接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)具有出色的抖動(dòng)性能。

這種時(shí)序特性使ADM3065E成為電機(jī)控制編碼器通信接口的理想選擇。對(duì)于使用 EnDat 2.2 編碼器協(xié)議傳輸?shù)拿總€(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)與時(shí)鐘邊沿下降同步傳輸。圖7顯示，在初始計(jì)算絕對(duì)位置（T卡爾).隨后的錯(cuò)誤位（F1、F2）指示編碼器故障何時(shí)會(huì)導(dǎo)致位置值不正確。然后，編碼器傳輸絕對(duì)位置值，從LS開(kāi)始，然后是數(shù)據(jù)。時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)完整性對(duì)于在長(zhǎng)距離電纜上成功發(fā)出位置和錯(cuò)誤信號(hào)至關(guān)重要，EnDat 2.2 規(guī)定最大抖動(dòng)為 10%。EnDat 2.2 規(guī)定了在 20 m 電纜上以 16 MHz 時(shí)鐘速率的最大操作。圖4顯示，ADM3065E僅5%時(shí)鐘抖動(dòng)即可滿足這一要求，圖6顯示ADM3065E滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩秳?dòng)要求，而標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器則不滿足。

圖7.EnDat 2.2物理層和具有時(shí)鐘/數(shù)據(jù)同步的協(xié)議（改編自EnDat 2.2的圖表）。

ADI公司對(duì)ADM3065E收發(fā)器特性的表征具有優(yōu)于電纜的時(shí)序性能，可確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員獲得必要的信息，使設(shè)計(jì)成功設(shè)計(jì)符合EnDat 2.2規(guī)范。

通過(guò)更長(zhǎng)的電纜實(shí)現(xiàn)更高的可靠性

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 標(biāo)準(zhǔn)3需要兼容的RS-485驅(qū)動(dòng)器，以在滿載網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生至少1.5 V的差分電壓幅度VOD。這款 1.5 VOD 允許在長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn) 1.3 V 的電壓直流衰減，RS-485 接收器的額定輸入差分電壓至少為 200 mV。ADM3065E在5 V供電時(shí)輸出至少2.1 V的VOD，超出RS-485規(guī)格要求。

滿載RS-485網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)54 Ω差分負(fù)載，它模擬由兩個(gè)120 Ω電阻組成的雙端接總線，另外750 Ω代表1單位負(fù)載或12 kΩ的32個(gè)連接器件。ADM3065E采用專有輸出架構(gòu)，可在滿足所需共模電壓范圍的同時(shí)最大化VOD，超越TIA-485-A/EIA-485-A的要求。圖8顯示，ADM3065E采用3.3 V電源供電時(shí)超出RS-485標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)要求>210%，采用5 V電源軌供電時(shí)超出>300%。這使得ADM3065E系列能夠與常規(guī)RS-485收發(fā)器相比，與更多的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)和更高的噪聲容限進(jìn)行進(jìn)一步通信。

圖8.ADM3065E在寬電源范圍內(nèi)超越RS-485驅(qū)動(dòng)要求。

圖9進(jìn)一步說(shuō)明了在超過(guò)1000米電纜的典型應(yīng)用中的這一點(diǎn)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)AWG 24電纜進(jìn)行通信時(shí)，ADM3065E比標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器好30%，接收節(jié)點(diǎn)的噪聲容限高30%，低數(shù)據(jù)速率下最大電纜長(zhǎng)度增加30%。這種性能非常適合無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，其中RS-485電纜延伸超過(guò)數(shù)百米。

圖9.ADM3065E為超長(zhǎng)距離提供出色的差分信號(hào)。

電磁兼容保護(hù)和抗噪性

RS-485信令具有平衡、差分和固有的抗噪聲功能。系統(tǒng)噪聲平均耦合到RS-485雙絞線電纜中的每根電線。雙絞線布線導(dǎo)致感應(yīng)噪聲電流向相反方向流動(dòng)，耦合到RS-485總線上的電磁場(chǎng)相互抵消。這降低了系統(tǒng)的電磁敏感性。此外，增強(qiáng)型ADM3065E 2.1 V驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可在通信中實(shí)現(xiàn)更高的信噪比（SNR）。在長(zhǎng)距離電纜中，例如無(wú)線基站的地面和天線之間數(shù)百米的距離，具有增強(qiáng)的SNR以及出色的信號(hào)完整性，可確保天線的準(zhǔn)確可靠的傾斜/位置控制。

圖 10.無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施電纜長(zhǎng)度可以延伸數(shù)百米。

如圖1所示，RS-485收發(fā)器需要EMC保護(hù)，這些收發(fā)器通過(guò)相鄰的連接器和電纜直接連接到外部世界。例如，裸露的RS-485連接器上的ESD以及編碼器到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電纜是一種常見(jiàn)的系統(tǒng)危險(xiǎn)。與可調(diào)速電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMC抗擾度要求相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)IEC 61800-3標(biāo)準(zhǔn)要求至少需要±4 kV接觸/ ±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。ADM3065E具有±12 kV接觸/±12 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)，超過(guò)了這一要求。

對(duì)于無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，需要增強(qiáng)的EMC保護(hù)，以防止破壞性的雷電浪涌事件。在ADM3065E輸入端增加一個(gè)SM712 TVS和兩個(gè)10 Ω協(xié)調(diào)電阻可提供增強(qiáng)的EMC保護(hù)，具有高達(dá)±30 kV 61000-4-2 ESD保護(hù)和±1 kV IEC 61000-4-5浪涌保護(hù)。

為了提高電氣苛刻的電機(jī)控制、過(guò)程自動(dòng)化和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的抗噪性，可以增加電流隔離。ADM3065E具有增強(qiáng)絕緣和5 kV rms瞬態(tài)耐受電壓的電流隔離功能，可采用ADI公司的i耦合器和iso電源技術(shù)添加到ADM3065E中。ADuM231D提供所需的3個(gè)通道5 kV rms信號(hào)隔離，具有精密時(shí)序性能，可在高達(dá)25 Mbps的速率下實(shí)現(xiàn)魯棒工作。ADuM6028隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器提供所需的隔離電源，額定耐受值為5 kV rms。兩個(gè)鐵氧體磁珠可輕松滿足 EN 55022 B/CISPR 22 等 EMC 合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，從而形成 6 mm × 7.5 mm 外形尺寸的緊湊型隔離式 DC-DC 解決方案。??

圖 11.完整的 25 Mbps 信號(hào)和電源隔離 RS-485 解決方案，具有 ESD、EFT 和浪涌保護(hù)功能。

結(jié)論

ADI公司的ADM3065E RS-485收發(fā)器性能優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與標(biāo)準(zhǔn)RS-485器件相比，通信速度更快。在 EnDat 2.2 中指定的 10% 抖動(dòng)水平下5，ADM3065E允許用戶在最長(zhǎng)20 m的電纜上以16 MHz時(shí)鐘速率工作，而標(biāo)準(zhǔn)RS-485難以滿足這一要求。ADM3065E比RS-485總線驅(qū)動(dòng)要求高出300%，在更長(zhǎng)的電纜上提供更好的可靠性和更大的噪聲容限。通過(guò)增加耦合器隔離（包括ADuM231D信號(hào)隔離器）和業(yè)界尺寸最小的隔離電源解決方案ADuM6028，可以提高抗噪性。

審核編輯：郭婷