在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中使用RS-485/RS-422收發(fā)器

RS-485收發(fā)器提供了一種在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)物理層的簡單方法;一些現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)指定了用于通信的RS-485串行端口。本文介紹了幾種現(xiàn)場總線技術(shù)，并特別關(guān)注了INTERBUS和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。重點介紹了RS-485收發(fā)器的一些特別有用的特性。

介紹

由于RS-485收發(fā)器提供了一種在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)物理層的簡單方法，因此一些現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)指定了用于通信的RS-485串行端口。本文介紹了幾種現(xiàn)場總線技術(shù)。特別注意INTERBUS和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。重點介紹了RS-485收發(fā)器的一些特別有用的特性。

現(xiàn)場總線基礎(chǔ)知識

工業(yè)工廠中采用廣泛的數(shù)據(jù)系統(tǒng)來測量、收集、傳輸和顯示信息。在測量、顯示溫度和壓力并將其送入過程控制系統(tǒng)的同時，必須控制閥門。為了將控制器單元與傳感器和執(zhí)行器連接起來，許多工藝和制造設(shè)施仍然包括基于4-20mA環(huán)路或0-10V電路的現(xiàn)場多路復(fù)用器或多線連接。由于這些舊系統(tǒng)所需的布線量巨大，因此現(xiàn)代工廠通常通過采用串行、實時、數(shù)據(jù)鏈路工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（即現(xiàn)場總線系統(tǒng)）進行過程和制造控制來節(jié)省布線工作。

與廣泛的以太網(wǎng)辦公網(wǎng)絡(luò)類似，現(xiàn)場總線系統(tǒng)使用單個總線將一個網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備連接到中央控制器。這種布置不僅需要更少的電線，而且還增加了系統(tǒng)的模塊化。所有設(shè)備都使用軟件尋址，因此任何設(shè)備都可以連接到網(wǎng)絡(luò)上的任何套接字。主站檢測哪個設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，并啟動啟動通信所需的操作。

與以太網(wǎng)相比，現(xiàn)場總線還有其他優(yōu)勢，這可以解釋為什么以太網(wǎng)在將可編程邏輯控制器（PLC）和工業(yè)PC連接到現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器方面還沒有跑完最后一英里?，F(xiàn)場總線的一個重要優(yōu)勢是確定性：實時接收信號，接收方立即提供確認(rèn)信號。對于必須實時分發(fā)的報警信號，顯然需要確定性。

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)也很強大。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常必須保證氣密連接器，并在-45°C至+85°C的工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)可以適應(yīng)該溫度范圍，但大多數(shù)以太網(wǎng)控制器IC僅規(guī)定工作溫度為0°C至+70°C。誠然，可以創(chuàng)建一個工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)，其中包括用于確定性的附加協(xié)議軟件、堅固的連接器和工業(yè)溫度范圍控制器IC，但這種網(wǎng)絡(luò)更昂貴。它們在補償高協(xié)議開銷方面也會產(chǎn)生額外的成本，這需要比常規(guī)現(xiàn)場總線更高的數(shù)據(jù)速率。

RS-485/RS-422 現(xiàn)場總線實現(xiàn)

許多現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)指定RS-485或RS-422收發(fā)器用于在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)物理層。RS-485收發(fā)器價格低廉，提供各種有用的功能，包括多個速度范圍。以下主要現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)要么通過RS-485傳輸，要么包括RS-485版本等。

附加資源計算機網(wǎng)絡(luò) （ARCNET）提供高達 10Mbps 的數(shù)據(jù)速率。ARCNET由SMC / Datapoint（美國）于1977年創(chuàng)立，最初是一個辦公網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在也為工業(yè)工廠提供服務(wù)。這是一個非常靈活的系統(tǒng)。

比特巴高達 375kbps。位總線由英特爾?（美國）于1984年創(chuàng)立，主要用于制造應(yīng)用中PLC和主控制器之間的通信。

歐洲安裝總線 （EIB）高達 9600 個基點。EIB系統(tǒng)始于1989年（德國），用于樓宇自動化。

助焊劑信息處理總線 （WorldFIP）高達 2.5Mbps（1Mbps，典型值）。WorldFIP系統(tǒng)始于1984年（法國），主要用于法國和意大利的工業(yè)過程自動化。

本地運營網(wǎng)絡(luò) （LON）高達 1.25Mbps。由Echelon Inc.（美國）于1990年創(chuàng)立，LON系統(tǒng)主要用于樓宇自動化。

帶分布式外設(shè)的過程現(xiàn)場總線 （PROFIBUS DP）高達 12Mbps。PROFIBUS DP由PNO（德國）于1993年創(chuàng)立，主要用于制造自動化。

國際巴士高達 2Mbps（500kbps，典型值）。INTERBUS由菲尼克斯電氣（德國）于1987年創(chuàng)立，主要用于制造自動化。

其他標(biāo)準(zhǔn)（如CAN）具有不同的物理接口，但我們只考慮RS-485 PROFIBUS DP和INTERBUS。這些系統(tǒng)在工業(yè)RS-485網(wǎng)絡(luò)中具有最大的市場份額和最高的增長率。

國際總線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識

INTERBUS網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，協(xié)議開銷低，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)速率為500Mbps，可實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸。最大數(shù)據(jù)速率在2年增加到2001Mbps，這將是未來高速系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)速率。

INTERBUS的主干是遠(yuǎn)程總線，由控制數(shù)據(jù)通信的總線主站領(lǐng)導(dǎo)。每個遠(yuǎn)程總線設(shè)備（即從設(shè)備）通過全雙工RS-422點對點連接連接到后續(xù)設(shè)備，如圖1所示。任意兩個從站之間允許的最大總線長度為400m;巴士總長度限制為13公里。每個從機通過兩個全雙工RS-422收發(fā)器連接到總線，從機兩側(cè)各一個。這些連接提供中繼器功能，確保整個網(wǎng)絡(luò)的良好傳輸質(zhì)量。

圖1.INTERBUS 網(wǎng)絡(luò)可以包括本地和遠(yuǎn)程總線數(shù)據(jù)環(huán)路，所有環(huán)路均以四線全雙工通信模式運行。允許多個本地總線環(huán)路。

一個主站最多只能連接512個從站，每個從站都有自己的電源。從站還可以用作總線耦合器（即總線接口模塊），為多達八個器件的本地總線提供服務(wù)。本地總線的總長度限制為10m，任何兩個設(shè)備之間的長度限制為1.5m。本地總線通信通過成對的 2 線電纜實現(xiàn)，使用全雙工 CMOS 電平信號而不是標(biāo)準(zhǔn) RS-422 電平信號。

INTERBUS標(biāo)準(zhǔn)要求網(wǎng)絡(luò)中的組件由認(rèn)可的測試實驗室認(rèn)證。任何PCB設(shè)計人員都可以在當(dāng)?shù)氐腎NTERBUS俱樂部申請此類證書，該俱樂部代表一個國際公司協(xié)會，其共同目標(biāo)是推動INTERBUS應(yīng)用。

RS-422 收發(fā)器特性

INTERBUS 遠(yuǎn)程總線中的全雙工 RS-485 收發(fā)器（通常稱為 RS-422 收發(fā)器）必須支持至少 500kbps 的數(shù)據(jù)速率（圖 2）。未來幾代人將需要超過2Mbps。當(dāng)前應(yīng)用通常包括75179兼容驅(qū)動器，盡管其靜態(tài)電源電流很高。即使是（所謂的）低功耗75LBC179，每個器件的典型靜態(tài)電流為4.2mA。10Mbps MAX3087E為低功耗替代方案，空載電源電流僅為475μA，滿載電源電流相應(yīng)更低。

圖2.INTERBUS遠(yuǎn)程總線中的典型RS-422收發(fā)器。

電源電流對于最大限度地降低功耗非常重要?，F(xiàn)場總線設(shè)備的外殼可能非常小，因此難以提供有效的散熱器。此外，許多應(yīng)用需要電氣隔離總線1，因此必須通過隔離柵將電源分配到RS-485收發(fā)器。

MAX3087E還提供±15kV的ESD保護。技術(shù)人員只需觸摸即可破壞有價值的未受保護的電子設(shè)備，并且在安裝現(xiàn)場總線電纜期間，單個觸點即可發(fā)生靜電放電。Maxim IC的ESD結(jié)構(gòu)可保護多個接口電路的發(fā)送器輸出和接收器輸入免受靜電放電的影響。在制造過程中，IC的正負(fù)電源軌根據(jù)人體模型（IEC標(biāo)準(zhǔn)200-1000-4）以2V為增量進行測試。因此，與可承受15kV沖擊但在6kV時失效的競爭器件不同，Maxim器件還保證了對較小ESD沖擊的保護。

PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識

PROFIBUS DP 采用線路配置，允許您在總線運行時添加和移除外設(shè)（圖 3）。大多數(shù)應(yīng)用的最大數(shù)據(jù)速率為 12Mbps，但 1.5Mbps 是常見的，并且定義了低至 9600bps 的速率。12Mbps 銅纜的最大總線長度為 100m;在較低的數(shù)據(jù)速率下，使用中繼器可以將總線總長度擴展到9.6km。

圖3.PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)在一條線路中布局。最多允許五個總線段，每個總線段最多包含 32 個節(jié)點。圖中顯示了單聲道主系統(tǒng)，每個段只有一個主站。

PROFIBUS DP 使用半雙工 RS-485 收發(fā)器連接到總線，該收發(fā)器通過單根屏蔽雙絞線電纜傳輸數(shù)據(jù)。PROFIBUS 還允許使用塑料光纖進行光纖連接。其他網(wǎng)絡(luò)“系列”成員是PROFIBUS FMS，一個用于過程管理級別的舊版本，大部分已被以太網(wǎng)取代，以及PROFIBUS PA，一個用于過程控制應(yīng)用的本質(zhì)安全版本。

PROFIBUS DP 允許每個總線段最多 32 個節(jié)點，包括主節(jié)點、從節(jié)點和任何中繼器。您最多可以添加五個總線段，每個段由中繼器隔離?？偩€大小可以通過這種方式擴展到總共 126 個節(jié)點。PROFIBUS DP 的協(xié)議開銷很高，因為各種診斷功能被添加到實際消息中以保證安全數(shù)據(jù)傳輸。

通信由一個或多個 1 類主站控制。該系統(tǒng)還包括 2 類主站，它們組成了用于在總線上對設(shè)備和操作系統(tǒng)進行編程的人機界面。從站可以是傳感器、執(zhí)行器（如電磁閥）或分散的數(shù)字或模擬輸入或輸出。PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)要求連接到 PROFIBUS 的所有終端設(shè)備都必須經(jīng)過認(rèn)可的測試實驗室的認(rèn)證。

RS-485/RS-422 收發(fā)器特性

PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)中的半雙工 RS-485 收發(fā)器必須能夠處理 12Mbps ≥的數(shù)據(jù)速率。為了保證在最壞負(fù)載條件下的有效接收器輸入電壓，差分驅(qū)動器輸出必須能夠在滿載（2Ω）下提供≥1.27V電壓。此外，為了最大限度地減少信號失真，驅(qū)動器和接收器輸出應(yīng)表現(xiàn)出≤2ns的數(shù)據(jù)偏差2。 大多數(shù) PROFIBUS 應(yīng)用需要經(jīng)過特殊分類的 75ALS176 收發(fā)器才能達到該性能水平。MAX20/MAX485是新的3463Mbps、半雙工RS-3464收發(fā)器系列，滿足PROFIBUS DP要求，并具有其他優(yōu)點：

數(shù)據(jù)速率高達 20Mbps

電源電流大幅降低（≤ 4mA，而 30ALS75 的電源電流為 = 176mA）。收發(fā)器的低電源電流可節(jié)省成本和電路板空間，因為 PROFIBUS DP 接口在大多數(shù)情況下是電隔離的。

所有輸入和輸出引腳上的ESD保護可保護IC免受±2kV的ESD沖擊。

真正的故障安全功能

RS-485接收器沒有針對-200mV至+200mV之間的輸入電平定義輸出。對于RS-0側(cè)的485V條件，接收器TTL側(cè)的邏輯高電平與邏輯低電平的可能性相同。如果沒有主站正在傳輸或線路連接松動，則半雙工連接中存在這種歧義。在總線的每一端放置一個終端網(wǎng)絡(luò)（圖 4），可確保為非故障安全 PROFIBUS RS-485 收發(fā)器定義輸出電平。

圖4.用于 PROFIBUS DP 的典型 RS-485 收發(fā)器。

Maxim真正的故障保護特性在MAX3463/MAX3464器件中實現(xiàn)。該技術(shù)通過替換完全符合RS-50規(guī)范的精密接收器閾值范圍（-200mV至-485mV）來避免外部偏置電阻，同時保證0V輸入在接收器上產(chǎn)生邏輯高電平。其余端接電阻（約200Ω）連接在差分線路之間。通過消除原本需要的330Ω上拉和下拉電阻，該連接可節(jié)省額外的功耗。

標(biāo)準(zhǔn) RS-485 驅(qū)動器驅(qū)動多達 32 個單位負(fù)載的能力為 PROFIBUS DP 總線段設(shè)定了 32 個節(jié)點的最大值。一個單位負(fù)載定義為12kΩ，對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)RS-485接收器的輸入阻抗。然而，MAX3463/MAX3464接收器的較高輸入阻抗（48kΩ，即1/4單位負(fù)載）允許總線上有128個收發(fā)器。RS-485收發(fā)器的任意組合都可以連接到一個總線段，前提是這些電路的凈并聯(lián)阻抗保持在375Ω（32個單位負(fù)載）以上。

可以想象，PROFIBUS DP 的大小可以增加到每段 128 個節(jié)點，即五個段中總共有 640 個節(jié)點。MAX3463還具有其它有用的特性。當(dāng)總線節(jié)點上電或插入“熱”背板時，處理器或控制ASIC會執(zhí)行其上電序列。在此期間，處理器的輸出驅(qū)動器處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，因此無法將RS-485收發(fā)器的控制線（低電平有效RE、DE、DI）驅(qū)動到定義的邏輯電平。

來自這些高阻抗驅(qū)動器的漏電流（高達10μA）會導(dǎo)致RS-485電路的控制線漂移高或漂移。此外，電路板上的寄生電容可以將控制線耦合到GND或V抄送.這些因素導(dǎo)致控制線向能夠啟用電路發(fā)射器（A和B）的水平漂移。為了避免這種情況，MAX3463包括熱插拔輸入，將MAX3463控制線路禁用為V抄送從 0V 斜坡上升。熱插拔輸入克服了漏電流和寄生電容，否則可能會將控制線拉到使能狀態(tài)。全雙工版本（MAX3460/MAX3461/MAX3462）可用于高速RS-422應(yīng)用。

MAX14770E結(jié)合了PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)所需的所有特性和功能。該設(shè)備符合 EIA 61158-2 B 型 PROFIBUS-DP 規(guī)范。MAX14770E具有真正的故障保護接收器，可熱插拔，具有±35kV ESD高保護（人體模型）。

由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)可能包括大量RS-485或RS-422驅(qū)動器，因此提供給驅(qū)動器的功率可能占系統(tǒng)成本的很大一部分。在跨越隔離柵供電時尤其如此。由于傳統(tǒng)RS-485/RS-422驅(qū)動器需要相當(dāng)大的電源電流（高達30mA靜態(tài)電流，加上負(fù)載電流），因此您可以通過在系統(tǒng)中加入現(xiàn)代CMOS驅(qū)動器來降低成本。較新的CMOS驅(qū)動器具有其他優(yōu)勢（ESD保護、故障安全功能和降低單位負(fù)載），可提高系統(tǒng)可靠性和性能/成本比。

審核編輯：郭婷