使用現(xiàn)場(chǎng)總線更快更遠(yuǎn)

Going faster and further with Fieldbus

PROCENTEC等行業(yè)專家表示，基于RS-485的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（PROFIBUS?）和工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）的快速增長(zhǎng)正穩(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過程自動(dòng)化（PA）同比增長(zhǎng)7%。PROFINET的安裝基數(shù)為2600萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，僅2018年就安裝了510萬(wàn)臺(tái)設(shè)備。

隨著RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的穩(wěn)步增長(zhǎng)和工業(yè)4.0加速了智能連接工廠的部署，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的健壯性和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

不可靠的數(shù)據(jù)傳輸將降低整個(gè)系統(tǒng)的性能。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，如圖1所示。在實(shí)際情況下，如果生產(chǎn)能力下降，則意味著機(jī)器性能下降。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，而精確的數(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)用程序中，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)用程序通常在電噪聲環(huán)境中工作，這可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。相比之下，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施必須受到保護(hù)，以防在暴露環(huán)境中遭受破壞性的間接雷擊。

對(duì)于這些要求苛刻的應(yīng)用，需要仔細(xì)檢查RS-485收發(fā)器在電纜上的定時(shí)性能，以確保系統(tǒng)可靠，以及EMC特性。本文介紹了一些關(guān)鍵的系統(tǒng)定時(shí)和通信電纜概念；提供了關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括時(shí)鐘和數(shù)據(jù)分布以及電纜驅(qū)動(dòng)能力；并展示了使用下一代RS-485收發(fā)器的工業(yè)應(yīng)用的好處。

定時(shí)性能

當(dāng)考慮在長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度上以高數(shù)據(jù)速率進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，定時(shí)性能概念，例如與低壓差分信號(hào)（LVDS）相關(guān)的抖動(dòng)和偏移-對(duì)于RS-485變得非常重要。RS-485收發(fā)器和系統(tǒng)電纜增加的抖動(dòng)和傾斜都需要檢查。

Figure 1. EMC, data rate, and cable length for RS-485.

抖動(dòng)和傾斜Jitter and Skew

抖動(dòng)可以量化為時(shí)間間隔誤差，特別是信號(hào)轉(zhuǎn)換的預(yù)期到達(dá)時(shí)間與實(shí)際到達(dá)時(shí)間之間的差異。在通信鏈路中，抖動(dòng)有各種各樣的因素。在本質(zhì)上，每個(gè)貢獻(xiàn)者都可以被廣泛地描述為隨機(jī)的或確定性的。隨機(jī)抖動(dòng)可以從它的高斯分布中識(shí)別出來(lái)，它來(lái)源于半導(dǎo)體內(nèi)部的熱噪聲和寬帶散粒噪聲。確定性抖動(dòng)是由通信系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)源引起的，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100mhz，在這種情況下，這些確定性的抖動(dòng)效應(yīng)支配著隨機(jī)效應(yīng)。

峰值到峰值抖動(dòng)值是由確定性源引起的系統(tǒng)總抖動(dòng)的一個(gè)有用的度量。通過在同一顯示器上疊加大量的信號(hào)躍遷（通常稱為眼圖），可以在時(shí)域中檢查峰間抖動(dòng)。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。

Figure 2. Time interval error, jitter, and eye.

疊加過渡的寬度是峰間抖動(dòng)，中間的開放區(qū)域稱為眼睛。此孔是長(zhǎng)RS-485電纜遠(yuǎn)端的接收節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行采樣的區(qū)域。較大的眼睛寬度為接收節(jié)點(diǎn)提供了更寬的采樣窗口，并降低了錯(cuò)誤接收的風(fēng)險(xiǎn)。可用眼主要受來(lái)自RS-485驅(qū)動(dòng)器和接收器以及互連電纜的確定性抖動(dòng)影響。

Figure 3. Key contributors to jitter in RS-485 communication networks.

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，影響定時(shí)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。脈沖偏移，也稱為脈沖寬度失真或占空比失真，是由收發(fā)器在發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)處引入的一種確定性抖動(dòng)。脈沖偏移定義為信號(hào)上升沿和下降沿之間的傳播延遲差。在差分通信中，這種偏差產(chǎn)生了一個(gè)非對(duì)稱的交叉點(diǎn)，并且在傳輸?shù)?和1的持續(xù)時(shí)間之間產(chǎn)生了不匹配。在時(shí)鐘分配系統(tǒng)中，過度的脈沖偏移表現(xiàn)為傳輸時(shí)鐘的占空比失真。在數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中，這種不對(duì)稱性增加了在眼圖中觀察到的峰間抖動(dòng)。在這兩種情況下，過多的脈沖偏斜會(huì)對(duì)通過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個(gè)系統(tǒng)性能。

當(dāng)信號(hào)邊緣的到達(dá)時(shí)間受到經(jīng)過該邊緣的數(shù)據(jù)模式的影響時(shí)，就會(huì)發(fā)生符號(hào)間干擾（ISI）。碼間干擾效應(yīng)在使用較長(zhǎng)電纜互連的應(yīng)用中變得突出，這使得ISI成為RS-485網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)關(guān)鍵因素。較長(zhǎng)的互連產(chǎn)生一個(gè)RC時(shí)間常數(shù)，其中電纜電容在一個(gè)位周期結(jié)束時(shí)尚未完全充電。在傳輸數(shù)據(jù)僅由時(shí)鐘組成的應(yīng)用中，不存在這種碼間干擾。碼間干擾也可由電纜傳輸線上的阻抗失配、線頭或終端電阻的不當(dāng)使用引起。具有高輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的RS-485收發(fā)器通常有助于最小化ISI效應(yīng)，因?yàn)樗鼈冃枰^少的時(shí)間來(lái)為RS-485電纜的負(fù)載電容充電。

可容忍的峰間抖動(dòng)百分比高度依賴于應(yīng)用，通常使用10%的抖動(dòng)來(lái)衡量RS-485收發(fā)器和電纜性能的組合。抖動(dòng)增加了485收發(fā)信機(jī)接收誤差的可能性。在端接正確的傳輸網(wǎng)絡(luò)中，選擇一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化以最小化收發(fā)器脈沖偏斜和碼間干擾影響的收發(fā)器，可以獲得更可靠、無(wú)差錯(cuò)的通信鏈路。

RS-485收發(fā)器設(shè)計(jì)與電纜效應(yīng)

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485標(biāo)準(zhǔn)3規(guī)定了RS-485發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)和工作范圍，包括電壓輸出差分（VOD）、短路特性、共模負(fù)載和輸入電壓閾值和范圍。TIA-485-A/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定RS-485定時(shí)性能，包括偏差和抖動(dòng)，而是由IC供應(yīng)商根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表規(guī)范進(jìn)行優(yōu)化。

其他標(biāo)準(zhǔn)，如TIA-568-B.2/EIA-568-B.2、雙絞線電纜通信標(biāo)準(zhǔn)4，為電纜交流和直流對(duì)RS-485信號(hào)質(zhì)量的影響提供了背景。本標(biāo)準(zhǔn)提供了抖動(dòng)、偏斜和其他定時(shí)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，5e類電纜的最大允許偏差為每100米45納秒。有關(guān)TIA-568-B.2/EIA-568-B.2標(biāo)準(zhǔn)和使用非理想的后果的更多信息，請(qǐng)閱讀增強(qiáng)的RS-485性能系統(tǒng)性能布線。

雖然可用的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)表提供了一個(gè)很好的有用的信息來(lái)源，任何有意義的系統(tǒng)定時(shí)性能的表征都需要測(cè)量一根長(zhǎng)電纜上的RS-485收發(fā)器。

Figure 4. ADM3065E typical clock jitter performance.

與RS-485通信更快更遠(yuǎn)

下一代RS-475收發(fā)器提供了增強(qiáng)的性能，以滿足使用TIA-485-A/EIA-485-A等標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序的需要，這些標(biāo)準(zhǔn)沒有定義傾斜和抖動(dòng)。例如，來(lái)自模擬設(shè)備的RS0485收發(fā)器（如ADM3065E）提供超低的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)傾斜性能。這使得系統(tǒng)能夠支持精確時(shí)鐘的傳輸，這通常是電機(jī)編碼標(biāo)準(zhǔn)中的特征，例如圖4和圖5所示的EnDat 2.2.5，系統(tǒng)已經(jīng)被證明在電機(jī)控制應(yīng)用中遇到的典型電纜長(zhǎng)度上的確定性抖動(dòng)小于5%。收發(fā)器的寬電源范圍意味著這種定時(shí)性能水平可用于需要3.3V或5V收發(fā)器電源的應(yīng)用。

Figure 5. ADM3065E receiving eye diagram: 25 MHz clock distributed across 100 m cable.

除了優(yōu)越的時(shí)鐘分布，增強(qiáng)的定時(shí)性能還可以實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)分布，高速輸出和最小的附加抖動(dòng)。圖6顯示，通過使用增強(qiáng)型收發(fā)器，RS-485數(shù)據(jù)通信通常引用的定時(shí)限制可以大大放寬。標(biāo)準(zhǔn)的RS-485收發(fā)器通常用于10%或更少抖動(dòng)的操作。ADM3065E可以在最長(zhǎng)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)處仍然只保持10%的抖動(dòng)。這種低水平的抖動(dòng)降低了接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤采樣的風(fēng)險(xiǎn)，并導(dǎo)致以前使用典型的RS-485收發(fā)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ诮邮展?jié)點(diǎn)可以容忍高達(dá)20%的抖動(dòng)水平的應(yīng)用中，可以在100米的電纜線路上實(shí)現(xiàn)高達(dá)35 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

Figure 6. ADM3065E receiving data node superior jitter performance.

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)與下降的時(shí)鐘邊緣同步傳輸。圖7說(shuō)明了在初始計(jì)算絕對(duì)位置（TCAL）之后，起始位開始從編碼器向主控制器傳輸數(shù)據(jù)。隨后的錯(cuò)誤位（F1，F2）指示編碼器的故障何時(shí)會(huì)導(dǎo)致不正確的位置值。編碼器然后傳輸一個(gè)絕對(duì)位置值，從LS開始，數(shù)據(jù)如下。時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)的完整性對(duì)于在長(zhǎng)電纜線路上成功發(fā)送定位和錯(cuò)誤信號(hào)至關(guān)重要，EnDat 2.2規(guī)定了最大10%的抖動(dòng)。EnDat 2.2規(guī)定了在20米電纜上以16兆赫時(shí)鐘速率進(jìn)行的最大操作。圖4顯示，只有5%的時(shí)鐘抖動(dòng)可以滿足這些要求，圖6顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩秳?dòng)要求得到滿足，而標(biāo)準(zhǔn)的RS-485收發(fā)器則不滿足。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榕c電纜相比，優(yōu)越的定時(shí)性能可確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)者擁有必要的信息，使設(shè)計(jì)能夠成功地滿足EnDat 2.2規(guī)范的要求。

Figure 7. EnDat 2.2 physical layer and protocol with clock/data synchronization (adapted diagrams from EnDat 2.2).

長(zhǎng)電纜更可靠

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485標(biāo)準(zhǔn)3要求兼容的RS-485驅(qū)動(dòng)器在滿載網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生至少1.5
V的差分電壓幅值VOD。這種1.5VOD允許在長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度上產(chǎn)生1.3V的電壓直流衰減，RS-485接收器規(guī)定在至少200 mV輸入差分電壓下工作。如果收發(fā)器設(shè)計(jì)為在5 V供電時(shí)輸出至少2.1 V的VOD，則設(shè)計(jì)者可以超過RS-485規(guī)范要求。

一個(gè)滿載的RS-485網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)54Ω的差分負(fù)載，它模擬了一個(gè)由兩個(gè)120Ω電阻器組成的雙端總線，另一個(gè)750Ω代表一個(gè)單位負(fù)載的32個(gè)連接設(shè)備，即12kΩ。ADM3065E采用專有的輸出架構(gòu)，在滿足所需共模電壓范圍的同時(shí)，最大限度地提高VOD，超過了TIA-485-a/EIA-485-a的要求。圖8說(shuō)明了當(dāng)從3.3V電源軌供電時(shí)，收發(fā)器如何超過RS-485標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器要求，或超過300%從一個(gè)5伏的電源軌。這使得系統(tǒng)能夠比常規(guī)的RS-485收發(fā)器更進(jìn)一步地與更多的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)和更大的噪聲裕度進(jìn)行通信。

Figure 8. The ADM3065E exceeding the RS-485 drives requirements across a wide supply range.

圖9進(jìn)一步說(shuō)明了1000米以上電纜的典型應(yīng)用中的這一點(diǎn)。當(dāng)通過標(biāo)準(zhǔn)AWG 24電纜進(jìn)行通信時(shí)，增強(qiáng)型收發(fā)器比標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器好30%，在接收節(jié)點(diǎn)的噪聲裕度大30%，或者在低數(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電纜的長(zhǎng)度超過幾百米。

Figure 9. ADM3065E delivers a superior differential signal for ultralong distances.

電磁兼容保護(hù)和抗擾度

RS-485信號(hào)是平衡的，差分的，固有的噪聲免疫。系統(tǒng)噪聲平均耦合到RS-485雙絞線電纜中的每條導(dǎo)線上。雙絞線布線導(dǎo)致感應(yīng)噪聲電流反向流動(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，更大的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度使得通信中的信噪比（SNR）更高。超長(zhǎng)的電纜線路，如地面和無(wú)線基站天線之間數(shù)百米的距離，具有增強(qiáng)的信噪比，以及出色的信號(hào)完整性，確保了天線精確可靠的傾斜/位置控制。

Figure 10. Wireless infrastructure cable lengths can extend over hundreds of meters.

如圖1所示，通過相鄰的連接器和電纜直接與外界連接的RS-485收發(fā)器需要EMC保護(hù)。例如，RS-485驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的ESD-485連接線暴露在電機(jī)上。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)要求最小±4 kV接觸/±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。增強(qiáng)型收發(fā)器（如ADM3065E）通過±12 kV接觸/±12 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)超過了這一要求。

Figure 11. Complete 25 Mbps signal and power isolated RS-485 solution with ESD, EFT, and surge protection.

對(duì)于無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用程序，需要增強(qiáng)的EMC保護(hù)來(lái)防止破壞性的雷電浪涌事件。在收發(fā)器輸入端增加一個(gè)SM712電視和兩個(gè)10Ω協(xié)調(diào)電阻器，可提供增強(qiáng)的EMC保護(hù)，最高可達(dá)到±30 kV 61000-4-2 ESD保護(hù)和±1 kV IEC 61000-4-5浪涌保護(hù)。

為了提高電刺激電機(jī)控制、過程自動(dòng)化和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的抗擾度，可以添加電流隔離。可使用模擬設(shè)備的iCoupler?和isoPower?技術(shù)，在ADM3065E中加入增強(qiáng)絕緣和5 kV rms瞬態(tài)耐受電壓的電流隔離。ADuM231D提供所需的三個(gè)5 kV rms信號(hào)隔離通道，具有精確的定時(shí)性能，可在高達(dá)25 Mbps的速率下穩(wěn)健運(yùn)行。ADuM6028隔離dc-dc轉(zhuǎn)換器提供所需的隔離電源，其耐受額定值為5 kV rms。兩個(gè)鐵氧體磁珠可輕松滿足EMC合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)，如EN 55022 Class B/CISPR 22，從而形成一個(gè)6 mm×7.5 mm形狀因數(shù)的緊湊型隔離dc-dc解決方案。
下一代RS-485收發(fā)器的性能優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與標(biāo)準(zhǔn)RS-485設(shè)備相比，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)更快的通信。在EnDat 2.25中規(guī)定的10%抖動(dòng)水平下，系統(tǒng)可以在最大20米的布線上以16兆赫的時(shí)鐘速率運(yùn)行，而標(biāo)準(zhǔn)RS-485則難以滿足這一要求。超過RS-485總線驅(qū)動(dòng)要求高達(dá)300%，提供了更好的可靠性和更長(zhǎng)的電纜噪聲裕度。通過增加I耦合器隔離，包括ADuM231D信號(hào)隔離器和業(yè)界最小的外形因數(shù)隔離電源解決方案ADuM6028，可以提高抗噪性。

總結(jié)

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