在RS485網(wǎng)絡中使用隔離帶來的性能好處

通道3(綠色)顯示在DI引腳進入發(fā)送驅(qū)動器的數(shù)據(jù)信號，而通道4(紅色)是來自遠端收發(fā)器RO引腳的數(shù)據(jù)輸出，這個輸出應該跟隨該數(shù)據(jù)輸入，只是有傳輸延遲。

圖3上部的黃色波形是在具有7V幅度(14VPP)的地電位之間引入的正弦波電壓信號。通道2(藍色)顯示穿過 100英尺電纜后在接收器負輸入端的“B”信號。疊加在大共模電壓信號上的“B”端數(shù)字數(shù)據(jù)與這個大共模電壓信號相比，幾乎察覺不到。

圖3顯示出了很明顯的差錯。有兩種因素導致數(shù)據(jù)丟失，這兩種因素都與RS485接收器的有限共模抑制能力有關。首先，共模信號的高頻分量(這里大約為1.2MHz)超過了大多數(shù)RS485接收器共模抑制的有效帶寬；其次，提供給接收器的共模信號的幅度遠超過允許的-7V至+12V范圍。在這種情況下，在100英尺導線末端的信號幅度將達到±20V的峰值，盡管在近端引入激勵的電壓峰值僅為±7V。這種幅度峰值在網(wǎng)絡配線的諧振頻率上被最大限度地提高了。請注意，這不涉及總線的差分特性，就像是一條傳輸線，但這是與共模阻抗有關的一種特性。諧振頻率是電纜長度、電纜配置(例如是繞成線圈的，還是直的)和所連接節(jié)點復阻抗的函數(shù)。有趣的是，由于頻率分量和幅度峰值，一個±7V的共模信號就能夠破壞RS485信號傳輸。

用LTM2881隔離式RS485收發(fā)器(圖2c)取代該RS485收發(fā)器，可以解決數(shù)據(jù)損壞問題，如圖4所示。在這種配置中，加到接收器輸入端的共模信號幾乎全部落在隔離勢壘上。與接收器隔離的地隨著接收器輸入的共模電壓變化，簡單的附著其上。結(jié)果，接收器不把這看作是一種共模變化，并繼續(xù)可靠地檢測差分數(shù)據(jù)。

請注意，在圖4中，共模頻率已經(jīng)升高到2MHz，這導致在電纜末端進入接收器(藍色波形)的信號幅度顯著提高到40VPP。這個共模電壓幅度遠遠超出RS485標準中規(guī)定的性能規(guī)格，會給大多數(shù)非隔離式RS485收發(fā)器帶來考驗。通過改善配線，LTM2881隔離式收發(fā)器甚至可在更高的共模變化頻率上繼續(xù)工作，下面探討這個問題。

進一步的配線改進

之前的討論集中在具無屏蔽雙絞線總線配線的隔離式收發(fā)器和非隔離式收發(fā)器之間的差別。更好的配線選擇包括，采用屏蔽導線和一種將所有隔離的地節(jié)點連到一起的公共導線。以下討論采用這些方法的兩種配線配置。

圖2b顯示用諸如Belden 9841電纜等屏蔽雙絞線連接的非隔離網(wǎng)絡。屏蔽層應該只在一個點連接，以避免產(chǎn)生地環(huán)路。將屏蔽層連接到接收器地，可為提高系統(tǒng)性能提供最佳分流。在多節(jié)點、非隔離網(wǎng)絡中，主節(jié)點一般是屏蔽層連接點。屏蔽所起的作用是將耦合能量分流至地而不是信號線。對于縮小網(wǎng)絡不同節(jié)點上的驅(qū)動器和接收器之間的地電位差來說，屏蔽并不起任何作用。如下面討論的那樣，這個限制在隔離式網(wǎng)絡中被消除了。

圖2d說明了用于隔離式收發(fā)器的最佳配線選擇。采用一根普通導線將每個節(jié)點上的所有隔離地連接在一起。在某個點上將該公共接頭連接至非隔離地，以確立另外的未接地網(wǎng)絡的標稱電壓基準電平。這可防止總線浮動至超出隔離額定值的過高電壓。

這種配置可使RS485接收器發(fā)揮最佳性能，因為接收器的隔離地電位跟隨輸入信號的共模，并被吸收到隔離勢壘上。既然接收器地隨著信號變化，那么接收器就沒有抑制共模電壓瞬態(tài)的負擔了?？绺綦x勢壘傳送數(shù)字編碼數(shù)據(jù)的電路承擔瞬態(tài)和共模抑制這個任務。在LTM2881中，數(shù)字隔離使用差分電感信號和編碼來傳送數(shù)據(jù)。LTM2881可以抑制高于30kV/us的瞬態(tài)轉(zhuǎn)換率，例如，勢壘電壓僅在27ns內(nèi)就有800V變化，而不會丟失任何數(shù)據(jù)。

圖2d還顯示了一個單獨的屏蔽層，該屏蔽層在一個點連接到大地的地電位，以分流耦合的噪聲。不過，有些系統(tǒng)不會既選擇屏蔽層又選擇單獨的基準配線。在這種情況下，最佳選擇是將屏蔽層連接到每個隔離收發(fā)器的公共終端，然后再從一個點連接到大地的地電位。如果RF抗擾力仍然令人擔憂，那么利用從每個接收器公共端到地的高頻高壓電容器，就能夠從收發(fā)器分走能量。

需要隔離的網(wǎng)絡

顯然，隔離可以改善數(shù)據(jù)通信的可靠性。但是一個從隔離受益的正常運行的網(wǎng)絡有哪些特點？哪些證據(jù)可以證明給一個網(wǎng)絡產(chǎn)品增加隔離是正確的呢？

系統(tǒng)可能獲益的第一個跡象是在經(jīng)常進行信息重發(fā)的時候。較高級的協(xié)議可以處理隨機誤差(由一個校驗和進行檢測)，并偶爾重新發(fā)送某個信息。較高級的協(xié)議也可能隨機丟失信息、超時和重新初始化。當然也可以“重啟”，但是會降低系統(tǒng)性能。信息重發(fā)和重新啟動經(jīng)常發(fā)生時，系統(tǒng)響應就會變慢。節(jié)點將不會以預期的速度更新，編號靠后的地址或線路末端的節(jié)點可能很少更新，因為重新啟動經(jīng)常將主控信號發(fā)回到序列中的第一個節(jié)點。在有現(xiàn)實環(huán)境干擾的現(xiàn)場，系統(tǒng)性能可能比在實驗室中進行系統(tǒng)測試和驗證時觀察到的要差。協(xié)議差錯檢驗和恢復應該只處理極少發(fā)生的事件。在正常工作情況下能看到通信差錯時，就要采用隔離。

其他有可能需要隔離的跡象是出現(xiàn)現(xiàn)場故障和早期產(chǎn)品退貨。退回的產(chǎn)品遭損壞或報告有通信故障嗎？潛在的現(xiàn)場故障和安裝時損壞的組件都要考慮。正確使用隔離可以保護收發(fā)器免受某些配線差錯的影響，否則這些配線差錯可能損壞標準收發(fā)器。當?shù)氐拈W電風暴是否使故障增多？隔離的收發(fā)器提供額外的保護，以免受到電氣浪涌和高的地電位差影響。

另外還有一個跡象，即標準的(非隔離)RS485不夠可靠。某種類型的網(wǎng)絡節(jié)點有可能以不可預知的方式運作，而其他類型的節(jié)點也將一致做出響應。例如，不可預測的節(jié)點可能是大樓控制系統(tǒng)中的一個大型風扇控制器。相比之下，溫度、濕度和空氣流動傳感器節(jié)點則表現(xiàn)得符合規(guī)則。風扇電動機輻射電氣噪聲，并將高的諧波分量傳導到局部接地回路中。另外，風扇控制器常常在連接到有20個或更多節(jié)點的大型網(wǎng)絡時表現(xiàn)尤其不佳。節(jié)點較多的網(wǎng)絡有額外的菊花鏈配線連接，這在兩條差分數(shù)據(jù)線 A 和 B 上增加了電容，也增加了電容失衡。數(shù)據(jù)線上的電容失衡往往導致將共模信號轉(zhuǎn)換成錯誤的差分信號，從而引起通信差錯。這是風扇控制器在大型網(wǎng)絡上通信不好的情況舉例。具有一條公共基準導線的隔離通過吸收共模信號以減輕這個問題，因此防止通過電容失衡轉(zhuǎn)換成差分信號。

將隔離帶來的好處最大化

對任何網(wǎng)絡產(chǎn)品來來說，隔離都是一個可行的改進方法。一個隔離的通信接口可以減輕顯現(xiàn)的問題，使通信更可靠，并使網(wǎng)絡產(chǎn)品能夠承受極端條件。

圖5顯示了在一個半雙工網(wǎng)絡中，采用LTM2881隔離式RS485收發(fā)器的典型應用和配線。該電路證明，將一條基準導線或屏蔽層連接到每個隔離式收發(fā)器的公共點是一個好的嘗試。它應該在一個點連接到基準或地。如果還會使用一個單獨的屏蔽層，那么它應該連接到相同作為基準線的大地的地點。這條基準線強制所有收發(fā)器的公共點處于相同的電平，從而消除了接收器的共模信號。相比之下，屏蔽層只能在耦合的噪聲到達數(shù)據(jù)線之前將其分流掉。