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Going Faster and Further with Fieldbus 作者：ADI公司�。eil Quinn，產(chǎn)品應用工程師；Richard Anslow，系統應用工程師 簡(jiǎn)介 PROCENTEC等行業(yè)專(zhuān)家的數據顯示，采用基于RS-485現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)(PROFIBUS®)的應用在持續增長(cháng)，工業(yè)以太網(wǎng)(PROFINET)應用也在快速增長(cháng)。2018年，全球共安裝6100萬(wàn)個(gè)PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)節點(diǎn)，PROFIBUS過(guò)程自動(dòng)化(PA)設備同比增長(cháng)7%。PROFINET安裝基數為2600萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)，僅2018年安裝的器件數量就達到5100萬(wàn)。1 隨著(zhù)RS-485現場(chǎng)總線(xiàn)采用率的穩定增長(cháng)，同時(shí)工業(yè)4.0加快了智能互聯(lián)工廠(chǎng)的發(fā)展，我們需要確保不斷優(yōu)化現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，為智能系統提供支持。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)必須仔細權衡EMC穩定性和數據傳輸可靠性這兩個(gè)因素。 不可靠的數據傳輸會(huì )降低整體系統性能。在運動(dòng)控制應用中，現場(chǎng)總線(xiàn)一般用于對單軸或多軸電機實(shí)施閉環(huán)位置控制。這些電機一般處于高數據速率、長(cháng)電纜傳輸線(xiàn)狀態(tài)，如圖1所示。如果位置控制不可靠，那么實(shí)際性能會(huì )下降，次品率上升，進(jìn)而導致工廠(chǎng)生產(chǎn)率降低。在無(wú)線(xiàn)基礎設施應用中，現場(chǎng)總線(xiàn)一般用于對天線(xiàn)實(shí)施傾斜度/位置控制，因此準確的數據傳輸至關(guān)重要。在運動(dòng)控制和無(wú)線(xiàn)基礎設施應用中，需要提供不同級別的EMC保護，具體如圖1所示。運動(dòng)控制應用通常處于電噪聲環(huán)境中，這可能導致數據誤差。對于無(wú)線(xiàn)基礎設施，則必須為其提供保護措施，避免在裸露的環(huán)境中間接遭受雷擊損壞。 對于這些要求嚴苛的應用，需要仔細檢查RS-485收發(fā)器的電纜時(shí)序性能，以確保系統可靠性和EMC特性。本文將介紹幾個(gè)重要的系統時(shí)序和通信電纜概念；闡述一些關(guān)鍵性能指標，包括時(shí)鐘和數據分配、電纜驅動(dòng)能力；并展示使用下一代ADM3065E/ADM3066E RS-485收發(fā)器為工業(yè)應用帶來(lái)的優(yōu)勢。 時(shí)序性能 為了在高數據速率下通過(guò)長(cháng)電纜實(shí)現可靠的數據傳輸，必須考慮影響RS-485的一些重要因素，例如通常與低壓差分信號(LVDS)有關(guān)的抖動(dòng)和偏斜等時(shí)序性能概念。RS-485收發(fā)器和系統電纜造成的抖動(dòng)和偏斜都需要考慮。 
圖1.RS-485的EMC、數據速率和電纜長(cháng)度要求 抖動(dòng)和偏斜 抖動(dòng)可以量化為時(shí)間間隔誤差；即信號躍遷的預期到達時(shí)間和實(shí)際到達時(shí)間之間的差值。在通信鏈路中，有多種因素會(huì )導致抖動(dòng)�；旧�，每種導致抖動(dòng)的因素都可以描述為是隨機或確定性的。隨機抖動(dòng)可以通過(guò)高斯分布描述，一般源于半導體內部的熱噪聲和寬帶散射噪聲。確定性抖動(dòng)則來(lái)自通信系統內部；例如，占空比失真、串擾、周期性外部噪聲源或碼間干擾。對于使用RS-485標準的通信系統，數據速率低于100 MHz，確定性抖動(dòng)更明顯。 峰峰值抖動(dòng)是衡量確定性來(lái)源產(chǎn)生的系統抖動(dòng)總體性能的有用指標。其可以在時(shí)域中測量，具體是通過(guò)在同一顯示屏上疊加大量信號躍遷（一般被稱(chēng)為眼圖）。使用無(wú)限持續的示波器顯示屏或者使用示波器的內置抖動(dòng)分解軟件來(lái)實(shí)現，如圖2所示。2，如圖2所示。2
圖2.時(shí)間間隔誤差、抖動(dòng)和眼圖 重疊躍遷的寬度為峰峰抖動(dòng)，中間的空白區域稱(chēng)為眼。這個(gè)眼是接收節點(diǎn)在RS-485長(cháng)電纜的遠端可以采樣的區域。眼寬越大，接收節點(diǎn)可以采樣的窗口越寬，且可以降低錯誤接收位的風(fēng)險�？捎醚壑饕軄�(lái)自RS-485驅動(dòng)器和接收器，以及互聯(lián)電纜的確定性抖動(dòng)影響。
圖3.RS-485通信網(wǎng)絡(luò )中造成抖動(dòng)的主要因素 圖3顯示通信網(wǎng)絡(luò )中造成抖動(dòng)的各種來(lái)源。在基于RS-485的通信系統中，影響時(shí)序性能的兩大因素是收發(fā)器脈沖偏斜和碼間干擾。脈沖偏斜也稱(chēng)為脈沖寬度失真或占空比失真，是收發(fā)器在發(fā)射和接收節點(diǎn)產(chǎn)生的一種確定性抖動(dòng)。脈沖偏斜定義為信號上升沿和下降沿之間的傳輸延遲差值。在差分通信中，這種偏斜會(huì )產(chǎn)生不對稱(chēng)交越點(diǎn)，并且發(fā)送0s和1s的持續時(shí)間不匹配。在時(shí)鐘分配系統中，過(guò)度的脈沖偏斜表現為發(fā)射時(shí)鐘的占空比失真。在數據分配系統中，這種不對稱(chēng)會(huì )增加眼圖中顯示的峰峰抖動(dòng)。在這兩種情況下，過(guò)度的脈沖偏斜會(huì )對通過(guò)RS-485傳輸的信號產(chǎn)生不利影響，且會(huì )降低可用的采樣窗口和整個(gè)系統的性能。 當信號沿的到達時(shí)間受到處理該信號沿的數據模式影響時(shí)，會(huì )發(fā)生碼間干擾(ISI)。對于采用長(cháng)電纜互聯(lián)的應用，碼間干擾效應變得越來(lái)越明顯，使其成為影響RS-485網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵因素。更長(cháng)的互聯(lián)會(huì )產(chǎn)生RC時(shí)間常數，其中電纜電容在單個(gè)位周期結束時(shí)沒(méi)有充滿(mǎn)電。在發(fā)射數據只由時(shí)鐘組成的應用中，不存在這種碼間干擾。碼間干擾也可能由電纜傳輸線(xiàn)上的阻抗不匹配（因為短截線(xiàn)或終端電阻使用不當）引起。具備高輸出驅動(dòng)能力的RS-485收發(fā)器一般可以幫助最大限度降低碼間干擾效應，因為它們對RS-485電纜負載電容充電時(shí)所需的時(shí)間更短。 峰峰抖動(dòng)容差的百分比與應用高度相關(guān)，一般使用10%抖動(dòng)作為衡量RS-485收發(fā)器和電纜性能的基準。過(guò)度抖動(dòng)和偏斜會(huì )影響接收端RS-485收發(fā)器的采樣性能，增大發(fā)生通信錯誤的風(fēng)險。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，以最大限度降低收發(fā)器脈沖偏斜和碼間干擾效應，才能實(shí)現更可靠、無(wú)錯的通信鏈路。 RS-485收發(fā)器設計和電纜影響 TIA-485-A/EIA-485-A RS-485標準3提供了RS-485發(fā)射器和接收器的設計和操作范圍相關(guān)規范，包括電壓輸出差分(VOD)、短路特性、共模負載、輸入電源閾值和范圍。TIA-485-A/EIA-485-A標準未規定RS-485的時(shí)序性能（包括偏斜和抖動(dòng)），由IC供應商根據產(chǎn)品數據手冊規格進(jìn)行優(yōu)化。 其他標準，例如TIA-568-B.2/EIA-568-B.2雙絞線(xiàn)電信標準4提供了電纜交流和直流影響RS-485信號質(zhì)量的背景。此標準提供了抖動(dòng)、偏斜和其他時(shí)序測量的相關(guān)考量和測試程序，并設置了性能限值；例如，5e電纜允許的最大偏斜為45 ns/100 m。ADI應用筆記AN-1399詳細探討了TIA-568-B.2/EIA-568-B.2標準，以及使用非理想電纜對系統性能的影響。 雖然可用標準和產(chǎn)品數據手冊提供了很多有用信息，但任何有意義的系統定時(shí)性能表征都需要在長(cháng)電纜上測量RS-485收發(fā)器的性能。
圖4.ADM3065E的典型時(shí)鐘抖動(dòng)性能 使用RS-485實(shí)現更快速、更廣泛地通信 ADM3065E RS-485收發(fā)器具備超低的發(fā)射器和接收器偏斜性能，所以非常適合用于傳輸精密時(shí)鐘，通常采用電機編碼標準，例如EnDat 2.2。5事實(shí)證明，ADM3065E在電機控制應用中采用典型電纜長(cháng)度的確定性抖動(dòng)小于5%（圖4和圖5）。ADM3065E具有較寬的電源電壓范圍，因此這種時(shí)序性能水平也可用于需要3.3 V或5 V收發(fā)器電源的應用。
圖5.ADM3065E接收眼圖：分布在100 m電纜上的25 MHz時(shí)鐘 除了出色的時(shí)鐘分配，ADM3065E時(shí)序性能還支持實(shí)現可靠的數據分配，以及高速輸出和最少的附加抖動(dòng)。圖6顯示，通過(guò)使用ADM3065E，RS-485數據通信的時(shí)序限制會(huì )大大放寬。標準RS-485收發(fā)器的抖動(dòng)通常為10%或更低。ADM3065E可以在長(cháng)達100米的電纜上以20 Mbps以上的速度運行，并且仍然可以在接收節點(diǎn)保持10%的抖動(dòng)。這種低水平抖動(dòng)降低了接收數據節點(diǎn)錯誤采樣的風(fēng)險，可實(shí)現使用典型的RS-485收發(fā)器無(wú)法實(shí)現的傳輸可靠性。對于接收節點(diǎn)可以容忍高達20%抖動(dòng)的應用，可以在100米電纜內實(shí)現高達35 Mbps的數據速率。
圖6.ADM3065E接收數據節點(diǎn)具有出色的抖動(dòng)性能 這種時(shí)序性能使ADM3065E成為電機控制編碼器通信接口的理想選擇。對于使用EnDat 2.2編碼器協(xié)議傳輸的每個(gè)數據包，數據傳輸都與時(shí)鐘下降沿同步。圖7顯示，對絕對位置(TCAL)進(jìn)行初始計算后，起始位開(kāi)始將數據從編碼器傳輸回主控制器。隨后的錯誤位（F1，F2）表明了當編碼器引起的故障錯誤的具體位置。。然后，編碼器發(fā)送一個(gè)絕對位置值，以L(fǎng)S開(kāi)頭，后接數據。時(shí)鐘和數據信號的完整性對于通過(guò)長(cháng)電纜能否成功發(fā)送定位和錯誤信號至關(guān)重要，EnDat 2.2指定最大抖動(dòng)為10%。這是EnDat 2.2指定采用20米電纜、16 MHz時(shí)鐘速率時(shí)的最高抖動(dòng)要求。圖4顯示，ADM3065E能夠滿(mǎn)足此要求，時(shí)鐘抖動(dòng)僅5%，圖6顯示ADM3065E能夠滿(mǎn)足數據傳輸抖動(dòng)要求，但標準RS-485收發(fā)器不能滿(mǎn)足。 ADI公司對ADM3065E收發(fā)器出色的電纜時(shí)序性能進(jìn)行表征，確保系統設計人員掌握必要的信息，以便成功開(kāi)發(fā)符合EnDat 2.2規格要求的設計。
圖7.時(shí)鐘/數據同步的EnDat 2.2物理層和協(xié)議（基于EnDat 2.2圖表實(shí)施調整） 更長(cháng)電纜通信實(shí)現更高可靠性 TIA-485-A/EIA-485-A RS-485標準3要求采用合規的RS-485驅動(dòng)器，在滿(mǎn)負載網(wǎng)絡(luò )中產(chǎn)生至少1.5 V的差分電壓幅值VOD。這個(gè)1.5 VOD允許在長(cháng)電纜內發(fā)生1.3 V直流電壓衰減，而RS-485接收器要求以至少200 mV輸入差分電壓工作。ADM3065E用于在提供5 V供電時(shí)輸出至少2.1 V 的VOD，此情況已經(jīng)超出了RS-485規范要求。 滿(mǎn)負載RS-485網(wǎng)絡(luò )相當于54 Ω差分負載，該負載模擬雙端接總線(xiàn)，包含2個(gè)120 Ω電阻，另外750 Ω則由32個(gè)1單位負載（或12 kΩ）連接器件構成。ADM3065E采用專(zhuān)有的輸出架構，可在滿(mǎn)足共模電壓范圍要求的同時(shí)最大化VOD，并超越了TIA-485-A/EIA-485-A的要求。圖8顯示，ADM3065E在使用3.3 V電軌供電時(shí)，產(chǎn)生的驅動(dòng)力超過(guò)RS-485標準要求>210%，而采用5 V電軌供電則超過(guò)>300%。這擴大了ADM3065E系列的通信范圍，相比常規的RS-485收發(fā)器，支持更多遠程節點(diǎn)和更高的噪聲容限。
圖8.ADM3065E在廣泛電源范圍內的性能表現均超越了RS-485驅動(dòng)器要求 圖9通過(guò)1000米電纜的典型應用性能，進(jìn)一步說(shuō)明了這一點(diǎn)。通過(guò)標準AWG 24電纜通信時(shí)，ADM3065E的性能比標準的RS-485收發(fā)器高30%——接收節點(diǎn)上的噪聲容限高30%，或者在低數據速率下，最大電纜長(cháng)度增加30%。這種性能非常適合RS-485電纜長(cháng)達數百米的無(wú)線(xiàn)基礎設施應用。
圖9.ADM3065E能夠為超長(cháng)距離應用提供出色的差分信號 EMC保護和抗擾度 RS-485信號采用平衡差分式傳輸，本身就具有一定的抗干擾能力。系統噪聲均等地耦合到RS-485雙絞線(xiàn)電纜中的每條導線(xiàn)。雙絞線(xiàn)使產(chǎn)生的噪聲電流沿相反方向流動(dòng)，與RS-485總線(xiàn)耦合的電磁場(chǎng)相互抵消。這降低了系統的電磁敏感性。此外，ADM3065E增強的2.1 V驅動(dòng)強度支持在通信中實(shí)現更高的信噪比(SNR)。在長(cháng)電纜傳輸中，例如地面和無(wú)線(xiàn)基站天線(xiàn)之間的距離長(cháng)達幾百米，具備增強的SNR性能和出色的信號完整性可以確保對天線(xiàn)實(shí)施準確、可靠的傾斜/位置控制。
圖10.無(wú)線(xiàn)基礎設施的電纜長(cháng)度可能超過(guò)幾百米 如圖1所示，RS-485收發(fā)器需要EMC保護，它通過(guò)相鄰的連接器和電纜直接與外界連接。例如，編碼器到電機驅動(dòng)器的裸露RS-485連接器和線(xiàn)纜上的ESD是一個(gè)常見(jiàn)系統危險因素。與變速電力驅動(dòng)系統的EMC抗擾度要求相關(guān)的系統級IEC 61800-3標準，要求最低±4 kV（接觸）/±8 kV（空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護。ADM3065E超過(guò)了這一要求，提供±12 kV（接觸）/±12 kV（空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護。
圖11.具有ESD、EFT和浪涌保護功能的完整25 Mbps信號和功率隔離RS-485解決方案 對于無(wú)線(xiàn)基礎設施應用，需要增強的EMC保護來(lái)防止遭受雷擊損壞。在A(yíng)DM3065E輸入中添加1個(gè)SM712 TVS和2個(gè)10 Ω協(xié)調電阻可以增強EMC保護，提供最高±30 kV 61000-4-2 ESD保護和±1 kV IEC 61000-4-5浪涌保護。 為了提高電氣要求嚴苛的電機控制、過(guò)程自動(dòng)化和無(wú)線(xiàn)基礎設施等應用中的抗擾度，可以添加電氣隔離裝置。利用ADI公司的iCoupler®和isoPower®技術(shù)，可以向ADM3065E中增添兼具增強型絕緣和5 kV rms瞬態(tài)電壓的電流隔離。 ADuM231D 提供三個(gè)5 kV rms信號隔離通道，具有精密時(shí)序性能，可以在高達25 Mbps速度下可靠運行。 ADuM6028 隔離式DC-DC轉換器可提供所需的隔離電源，耐受額定值為5 kV rms。 使用兩個(gè)鐵氧體磁珠可以輕松滿(mǎn)足EMC相關(guān)標準要求，例如EN 55022 Class B/CISPR 22，從而可實(shí)現6 mm × 7.5 mm緊湊型隔離式DC-DC解決方案。 結論 ADI公司的ADM3065E RS-485收發(fā)器性能優(yōu)于行業(yè)標準，與標準RS-485器件相比，它可以實(shí)現更快速、更長(cháng)距離通信。在EnDat 2.25規定的10%抖動(dòng)水平下，ADM3065E允許用戶(hù)采用最長(cháng)20米電纜以16 Mhz時(shí)鐘速率工作，而標準RS-485器件很難滿(mǎn)足這一要求。ADM3065E的驅動(dòng)力超出RS-485總線(xiàn)驅動(dòng)要求300%，在使用更長(cháng)電纜時(shí)，提供更出色的可靠性和更高的噪聲容限�？梢酝ㄟ^(guò)增加iCoupler隔離來(lái)提高抗擾度，包括ADuM231D信號隔離器，以及行業(yè)體積最小的隔離功率解決方案ADuM6028。 參考文獻 1 “2018年，PROFINET和PROFIBUS節點(diǎn)的數量超過(guò)8700萬(wàn)�！盤(pán)rofibus Group，2019年5月。 2 Conal Watterson�！癓VDS和M-LVDS電路實(shí)施指南�！盇DI公司，2013年3月。 3 “TIA/EIA-485-A標準，用于平衡 數字多點(diǎn)系統的發(fā)電機和接收機的電氣特性�！盜HS Markit Inc.，1998年3月。 4 “TIA/EIA-568-B.2，商業(yè)建筑電信布線(xiàn)標準——第2部分：平衡雙絞線(xiàn)組件�！彪娦殴I(yè)協(xié)會(huì )，2001年5月。 5 “EnDat 2.2——位置編碼器的雙向接口�！盚eidenhain，2017年9月。 作者簡(jiǎn)介 Neil Quinn是ADI公司的產(chǎn)品應用工程師，是愛(ài)爾蘭利默里克的接口和隔離技術(shù)部的一員。Neil 2013年獲得美國國立梅努斯大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。他主要研究工業(yè)和高速通信接口，例如RS-485和LVDS，以及ADI的iCoupler數字隔離產(chǎn)品。聯(lián)系方式：neil.quinn@analog.com。 Richard Anslow是ADI公司自動(dòng)化與能源業(yè)務(wù)部互連運動(dòng)和機器人團隊的系統應用工程師。他的專(zhuān)長(cháng)領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監測和工業(yè)通信設計。他擁有愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)頒發(fā)的工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：richard.anslow@analog.com。 |
