揭開 PROFIBUS-DP 的物理層

PROFIBUS-DP（分布式外圍設(shè)備）現(xiàn)場總線標準已經(jīng)存在了二十多年，然而，物理層要求仍不清楚，經(jīng)常導(dǎo)致收發(fā)器定義混亂。然而，任何模糊性顯然都沒有阻止 PROFIBUS 成為非常成功的現(xiàn)場總線解決方案，全球安裝了超過 5000 萬臺設(shè)備。隨著新系統(tǒng)的部署，設(shè)計工程師知道他們使用的收發(fā)器設(shè)計用于對 PROFIBUS-DP 標準進行最新和最準確的解釋，這一點很重要。

PROFIBUS-DP（分布式外圍設(shè)備）基礎(chǔ)知識

更快、更簡單的 PROFIBUS-DP 標準誕生于 1993 年，源自更慢、更復(fù)雜的 PROFIBUS FMS（現(xiàn)場總線消息規(guī)范）父標準。PROFIBUS-DP 還有一個更年輕、不太流行的同級或衍生標準 PROFIBUS-PA（過程自動化），它使用曼徹斯特總線供電 (MBP) 傳輸并通過總線供電，非常適合危險環(huán)境中的本質(zhì)安全應(yīng)用。但 PROFIBUS-DP 是當(dāng)今使用最廣泛的 PROFIBUS 版本，因為它具有即插即用的特性、靈活性和成本效益。從工業(yè)工廠中傳感器和執(zhí)行器的管理到與鐵路站場中的流量計通信，以及各種機器人應(yīng)用，PROFIBUS-DP 將 I/O 卡（主站）從控制器分散到更靠近傳感器和執(zhí)行器（從站）的位置,

PROFIBUS-DP 可以通過多種介質(zhì)進行通信，包括銅線、光纖，甚至紅外通信器中的空氣。到目前為止，PROFIBUS-DP 主站和從站最常用的位傳輸介質(zhì)（ISO/OSI 模型的第 1 層）是使用 RS485 收發(fā)器的雙絞線?？紤]到 RS485 的高速差分信號和在嘈雜環(huán)境中遠距離多個設(shè)備之間的穩(wěn)健通信，這并不奇怪。多個主站，例如 PLC（可編程邏輯控制器），可以在線性拓撲中每段連接到 30 個從站。使用集線器（并行段）或中繼器（串行段）可以將網(wǎng)絡(luò)擴展到 124 個從站。段必須在兩端使用主動終止來終止。所有從機都可以熱插拔到總線中，

95% RS485，5% 混亂

PROFIBUS-DP 采用了大部分 TIA/EIA-485-A RS485 標準，但確實做了一些更改，由于較大的系統(tǒng)問題可能會被意外忽略。因此，與普遍看法相反，并非所有 RS485 收發(fā)器和電纜都適用于 PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)。布線、終端、信號名稱和驅(qū)動器要求方面確實存在差異；太快忽略這些差異很容易使您的主設(shè)備或從設(shè)備的性能（或更糟的是，認證）付出代價。

雖然 RS485 標準沒有指定布線要求，但 120-Ω 屏蔽雙絞線已成為常規(guī)建議。然而，PROFIBUS-DP 推薦使用 150-Ω 屏蔽雙絞線。不幸的是，120 Ω 不能近似為 150 Ω，而且電纜阻抗的這種微小差異實際上需要使用不同的電纜。PROFIBUS-DP 還規(guī)定了最大電纜長度，這取決于使用 10 個波特率“步長”中的哪一個，范圍從 9.6 kbits/s 的 1,200 m 到 12 Mbits/s 的 100 m。

當(dāng)然，不同的電纜阻抗要求會帶來不同的端接要求。為了最大限度地減少信號反射，RS485 安裝通常在總線兩端使用單個 120-Ω 終端電阻，而 PROFIBUS-DP 建議在總線兩端使用 171-Ω 終端網(wǎng)絡(luò)。等等，是不是打錯字了？PROFIBUS-DP 推薦 171-Ω，因此與推薦電纜的 150-Ω 特性阻抗不匹配？絕對地。圖。1 顯示了用于 PROFIBUS-DP 的電纜和終端網(wǎng)絡(luò)與 RS485 的不同之處。您可以看到兩個 390-Ω 總線偏置電阻與 220-Ω 終端電阻一起使用；差分電阻為 171 Ω。這顯然不是 150-Ω 電纜的完美匹配，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻尼稍顯不足。但是，請不要擔(dān)心，因為這表明它只是電纜接收端信號電壓的一個小凸起或增加，其持續(xù)時間是電纜傳播延遲的兩倍。

圖 1：RS485 和 PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)中的電纜、終端和引腳差異。

如果電纜/終端不匹配還不夠，那么 PROFIBUS 收發(fā)器上總線引腳的命名應(yīng)該會進一步打破您的期望。您可能已經(jīng)注意到圖 1中使用的相反引腳名稱. 在大多數(shù)通用 RS485 收發(fā)器中，引腳 A 是同相接收器輸入（和同相驅(qū)動器輸出），引腳 B 是反相，相對于接收器輸出和驅(qū)動器輸入。但是，PROFIBUS 標準以這樣一種方式描述總線極性，即引腳 B 和 A 正好相反。為什么不一致？最初的 TIA/EIA-485-A 標準沒有明確定義與邏輯信號功能相關(guān)的總線極性，因此 RS485 IC 設(shè)計人員幾乎總是以一種方式解釋規(guī)范，而其他人則以另一種方式解釋。這對您意味著什么，特別是如果您同時擁有 RS485 和 PROFIBUS-DP 項目，那么在將收發(fā)器總線引腳映射到連接器時必須密切注意。

根據(jù)現(xiàn)有的定義不明確的收發(fā)器的數(shù)量，差分驅(qū)動器輸出電壓 (V OD ) 可能是 PROFIBUS-DP 物理層中最被誤解或忽略的規(guī)范。RS485 規(guī)定 A 和 B 線之間的 V OD 應(yīng)為 1.5 至 5 V，峰值差分，在 A 和 B 之間使用 54-Ω 電阻器在驅(qū)動器端子處測量。PROFIBUS-DP 規(guī)定 V OD 應(yīng)為 4 至7 V，峰峰值差分，在電纜的遠端測量，每端都有終端。

一個常見的誤解是，如果 RS485 驅(qū)動器只是在 54-Ω 負載上產(chǎn)生超過 2.1 V 的電壓，那么當(dāng)與 PROFIBUS-DP 終端網(wǎng)絡(luò)一起使用時，它將滿足 PROFIBUS-DP 的要求。然而，這并不總是正確的。RS485 驅(qū)動器的強度可能過高并超過 7-V PP PROFIBUS-DP 限制。請注意所有常見的“PROFIBUS”兼容 RS485 收發(fā)器，它僅指定 V OD 最小值（即 2.1 V）而沒有最大值。確保 PROFIBUS-DP V OD 符合性的最佳方法是使用 PROFIBUS 負載測試收發(fā)器。

圖 2 顯示了如何使用 PROFIBUS-DP 負載和一些串聯(lián)電阻來測試 LTC2877 堅固型 PROFIBUS RS485 收發(fā)器以模擬電纜損耗，其中 V OD （藍色曲線）是從“電纜末端”（ A' 和 B') 以確保真正滿足 PROFIBUS-DP 規(guī)范。LTC2877 還針對 RS485 負載進行了全面測試，以確保 V OD 與這兩種標準兼容。

圖 2：使用 PROFIBUS-DP 負載測試 LTC2877 差分輸出電壓 (VOD)。

保護 PROFIBUS-DP

TIA/EIA-485-A 標準在對抗噪聲、故障、ESD、瞬變（電快速瞬變）或浪涌方面的規(guī)定非常少，因此收發(fā)器制造商和設(shè)計人員可以自行實施電氣保護。雖然保護要求因應(yīng)用而異，但一些收發(fā)器，包括圖 3中所示的 LTC2877 ，能夠以高水平的保護滿足所有市場要求。

圖 3：LTC2877 收發(fā)器提供多級保護。

TIE/EIA-485-A 標準規(guī)定網(wǎng)絡(luò)上兩個設(shè)備之間的接地偏移可高達 –7 至 +12 V。但是，許多 PROFIBUS-DP 安裝可能會遇到遠高于此的電壓，這可能會導(dǎo)致嚴重的損壞 PROFIBUS-DP 收發(fā)器。PROFIBUS 常用于 24V 系統(tǒng)，其中將“標準”RS485 設(shè)備短接到 24V 可能是致命的。設(shè)計人員應(yīng)該需要一個具有 –25 至 +25 V 擴展共模范圍的接收器。用受 ±60 V 保護的 LTC2877 代替通常的 PROFIBUS-DP 收發(fā)器可以消除由于過壓故障而導(dǎo)致的現(xiàn)場故障，而無需昂貴的外部保護。因為 PROFIBUS-DP 收發(fā)器實際上是系統(tǒng)的第一道防線，所以它們需要能夠保護自己免受各種級別的 ESD 沖擊。一些 PROFIBUS 收發(fā)器在未通電時在其總線引腳上受到 15 kV ESD 保護；其他產(chǎn)品（例如 LTC2877）提供相對于地或任一電源的 ±26kV HBM ESD 保護，而不會發(fā)生閂鎖或損壞、未通電或通電以及在任何操作模式下。此外，總線引腳在未通電時受到保護，可防止 ±52kV 對地沖擊。

另一種形式的電氣過應(yīng)力是 EFT，根據(jù) IEC 61000-4-4 EFT 標準，它是持續(xù) 60 秒的高壓尖峰脈沖。這種類型的過應(yīng)力通常是開關(guān)和繼電器中的電弧觸點造成的，這在使用機電開關(guān)連接和斷開感應(yīng)負載的工業(yè)環(huán)境中很常見。他們應(yīng)確保所選收發(fā)器符合 IEC 61000-4-4 最高級別，即 4 級，相當(dāng)于總線引腳上的 2 kV 開路電壓。

也許最嚴重的電氣過載形式是大自然以閃電形式提供的浪涌。因此，像 LTC2877 這樣的微型收發(fā)器 IC 不具備針對這種量級電涌的固有保護也就不足為奇了。相反，外部浪涌保護組件，包括 MOV、TVS 二極管、TSPD（晶閘管浪涌保護器件）和 GDT（氣體放電管），通常用于以任何方式暴露于元件的 PROFIBUS-DP 系統(tǒng)中。LTC2877 無法單獨抵御雷擊，但其 ±60V 的高引腳額定值使得很容易找到能夠提供這種保護水平的外部保護組件。

審核編輯? 黃昊宇