利用現(xiàn)場總線提升速度，擴大覆蓋范圍

簡介

PROCENTEC等行業(yè)專家的數(shù)據(jù)顯示，采用基于RS-485現(xiàn)場總線技術(shù)(PROFIBUS?)的應(yīng)用在持續(xù)增長，工業(yè)以太網(wǎng)(PROFINET)應(yīng)用也在快速增長。2018年，全球共安裝6100萬個PROFIBUS現(xiàn)場總線節(jié)點，PROFIBUS過程自動化(PA)設(shè)備同比增長7%。PROFINET安裝基數(shù)為2600萬個節(jié)點，僅2018年安裝的器件數(shù)量就達到5100萬。¹

隨著RS-485現(xiàn)場總線采用率的穩(wěn)定增長，同時工業(yè)4.0加快了智能互聯(lián)工廠的發(fā)展，我們需要確保不斷優(yōu)化現(xiàn)場總線技術(shù)，為智能系統(tǒng)提供支持。經(jīng)過優(yōu)化的現(xiàn)場總線技術(shù)必須仔細權(quán)衡EMC穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性這兩個因素。

不可靠的數(shù)據(jù)傳輸會降低整體系統(tǒng)性能。在運動控制應(yīng)用中，現(xiàn)場總線一般用于對單軸或多軸電機實施閉環(huán)位置控制。這些電機一般處于高數(shù)據(jù)速率、長電纜傳輸線狀態(tài)，如圖1所示。如果位置控制不可靠，那么實際性能會下降，次品率上升，進而導(dǎo)致工廠生產(chǎn)率降低。在無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，現(xiàn)場總線一般用于對天線實施傾斜度/位置控制，因此準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。在運動控制和無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，需要提供不同級別的EMC保護，具體如圖1所示。運動控制應(yīng)用通常處于電噪聲環(huán)境中，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差。對于無線基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用，需要仔細檢查RS-485收發(fā)器的電纜時序性能，以確保系統(tǒng)可靠性和EMC特性。本文將介紹幾個重要的系統(tǒng)時序和通信電纜概念；闡述一些關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括時鐘和數(shù)據(jù)分配、電纜驅(qū)動能力；并展示使用下一代ADM3065E/ADM3066E RS-485收發(fā)器為工業(yè)應(yīng)用帶來的優(yōu)勢。

時序性能

為了在高數(shù)據(jù)速率下通過長電纜實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)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)的抖動和偏斜等時序性能概念。RS-485收發(fā)器和系統(tǒng)電纜造成的抖動和偏斜都需要考慮。

圖1 RS-485的EMC、數(shù)據(jù)速率和電纜長度要求

抖動和偏斜

抖動可以量化為時間間隔誤差；即信號躍遷的預(yù)期到達時間和實際到達時間之間的差值。在通信鏈路中，有多種因素會導(dǎo)致抖動。基本上，每種導(dǎo)致抖動的因素都可以描述為是隨機或確定性的。隨機抖動可以通過高斯分布描述，一般源于半導(dǎo)體內(nèi)部的熱噪聲和寬帶散射噪聲。確定性抖動則來自通信系統(tǒng)內(nèi)部；例如，占空比失真、串?dāng)_、周期性外部噪聲源或碼間干擾。對于使用RS-485標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)速率低于100 MHz，確定性抖動更明顯。

峰峰值抖動是衡量確定性來源產(chǎn)生的系統(tǒng)抖動總體性能的有用指標(biāo)。其可以在時域中測量，具體是通過在同一顯示屏上疊加大量信號躍遷（一般被稱為眼圖）。使用無限持續(xù)的示波器顯示屏或者使用示波器的內(nèi)置抖動分解軟件來實現(xiàn)，如圖2所示。2，如圖2所示。²

圖2 時間間隔誤差、抖動和眼圖

重疊躍遷的寬度為峰峰抖動，中間的空白區(qū)域稱為眼。這個眼是接收節(jié)點在RS-485長電纜的遠端可以采樣的區(qū)域。眼寬越大，接收節(jié)點可以采樣的窗口越寬，且可以降低錯誤接收位的風(fēng)險。可用眼主要受來自RS-485驅(qū)動器和接收器，以及互聯(lián)電纜的確定性抖動影響。

圖3 RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中造成抖動的主要因素

圖3顯示通信網(wǎng)絡(luò)中造成抖動的各種來源。在基于RS-485的通信系統(tǒng)中，影響時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(jié)點產(chǎn)生的一種確定性抖動。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，這種偏斜會產(chǎn)生不對稱交越點，并且發(fā)送0s和1s的持續(xù)時間不匹配。在時鐘分配系統(tǒng)中，過度的脈沖偏斜表現(xiàn)為發(fā)射時鐘的占空比失真。在數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)中，這種不對稱會增加眼圖中顯示的峰峰抖動。在這兩種情況下，過度的脈沖偏斜會對通過RS-485傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生不利影響，且會降低可用的采樣窗口和整個系統(tǒng)的性能。

當(dāng)信號沿的到達時間受到處理該信號沿的數(shù)據(jù)模式影響時，會發(fā)生碼間干擾(ISI)。對于采用長電纜互聯(lián)的應(yīng)用，碼間干擾效應(yīng)變得越來越明顯，使其成為影響RS-485網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。更長的互聯(lián)會產(chǎn)生RC時間常數(shù)，其中電纜電容在單個位周期結(jié)束時沒有充滿電。在發(fā)射數(shù)據(jù)只由時鐘組成的應(yīng)用中，不存在這種碼間干擾。碼間干擾也可能由電纜傳輸線上的阻抗不匹配（因為短截線或終端電阻使用不當(dāng)）引起。具備高輸出驅(qū)動能力的RS-485收發(fā)器一般可以幫助最大限度降低碼間干擾效應(yīng)，因為它們對RS-485電纜負載電容充電時所需的時間更短。

峰峰抖動容差的百分比與應(yīng)用高度相關(guān)，一般使用10%抖動作為衡量RS-485收發(fā)器和電纜性能的基準(zhǔn)。過度抖動和偏斜會影響接收端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(yīng)，才能實現(xiàn)更可靠、無錯的通信鏈路。

RS-485收發(fā)器設(shè)計和電纜影響

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485標(biāo)準(zhǔn)3提供了RS-485發(fā)射器和接收器的設(shè)計和操作范圍相關(guān)規(guī)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(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定RS-485的時序性能（包括偏斜和抖動），由IC供應(yīng)商根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊規(guī)格進行優(yōu)化。

其他標(biāo)準(zhǔn)，例如TIA-568-B.2/EIA-568-B.2雙絞線電信標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)提供了抖動、偏斜和其他時序測量的相關(guān)考量和測試程序，并設(shè)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(yīng)用筆記AN-1399詳細探討了TIA-568-B.2/EIA-568-B.2標(biāo)準(zhǔn)，以及使用非理想電纜對系統(tǒng)性能的影響。

雖然可用標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊提供了很多有用信息，但任何有意義的系統(tǒng)定時性能表征都需要在長電纜上測量RS-485收發(fā)器的性能。

圖4 ADM3065E的典型時鐘抖動性能

使用RS-485實現(xiàn)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鐘，通常采用電機編碼標(biāo)準(zhǔn)，例如EnDat 2.2。5事實證明，ADM3065E在電機控制應(yīng)用中采用典型電纜長度的確定性抖動小于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(yīng)用。

圖5 ADM3065E接收眼圖：分布在100 m電纜上的25 MHz時鐘

除了出色的時鐘分配，ADM3065E時序性能還支持實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)分配，以及高速輸出和最少的附加抖動。圖6顯示，通過使用ADM3065E，RS-485數(shù)據(jù)通信的時序限制會大大放寬。標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器的抖動通常為10%或更低。ADM3065E可以在長達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(jié)點保持10%的抖動。這種低水平抖動降低了接收數(shù)據(jù)節(jié)點錯誤采樣的風(fēng)險，可實現(xiàn)使用典型的RS-485收發(fā)器無法實現(xiàn)的傳輸可靠性。對于接收節(jié)點可以容忍高達20%抖動的應(yīng)用，可以在100米電纜內(nèi)實現(xiàn)高達35 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

圖6 ADM3065E接收數(shù)據(jù)節(jié)點具有出色的抖動性能

這種時序性能使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?shù)拿總€數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)傳輸都與時鐘下降沿同步。圖7顯示，對絕對位置(TCAL)進行初始計算后，起始位開始將數(shù)據(jù)從編碼器傳輸回主控制器。隨后的錯誤位（F1，F(xiàn)2）表明了當(dāng)編碼器引起的故障錯誤的具體位置。。然后，編碼器發(fā)送一個絕對位置值，以LS開頭，后接數(shù)據(jù)。時鐘和數(shù)據(jù)信號的完整性對于通過長電纜能否成功發(fā)送定位和錯誤信號至關(guān)重要，EnDat 2.2指定最大抖動為10%。這是EnDat 2.2指定采用20米電纜、16 MHz時鐘速率時的最高抖動要求。圖4顯示，ADM3065E能夠滿足此要求，時鐘抖動僅5%，圖6顯示ADM3065E能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸抖動要求，但標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器不能滿足。

ADI公司對ADM3065E收發(fā)器出色的電纜時序性能進行表征，確保系統(tǒng)設(shè)計人員掌握必要的信息，以便成功開發(fā)符合EnDat 2.2規(guī)格要求的設(shè)計。

圖7 時鐘/數(shù)據(jù)同步的EnDat 2.2物理層和協(xié)議（基于EnDat 2.2圖表實施調(diào)整）

更長電纜通信實現(xiàn)更高可靠性

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485標(biāo)準(zhǔn)3要求采用合規(guī)的RS-485驅(qū)動器，在滿負載網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生至少1.5 V的差分電壓幅值VOD。這個1.5 VOD允許在長電纜內(nèi)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供電時輸出至少2.1 V 的VOD，此情況已經(jīng)超出了RS-485規(guī)范要求。

滿負載RS-485網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于54 Ω差分負載，該負載模擬雙端接總線，包含2個120 Ω電阻，另外750 Ω則由32個1單位負載（或12 kΩ）連接器件構(gòu)成。ADM3065E采用專有的輸出架構(gòu)，可在滿足共模電壓范圍要求的同時最大化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，產(chǎn)生的驅(qū)動力超過RS-485標(biāo)準(zhǔn)要求>210%，而采用5 V電軌供電則超過>300%。這擴大了ADM3065E系列的通信范圍，相比常規(guī)的RS-485收發(fā)器，支持更多遠程節(jié)點和更高的噪聲容限。

圖8 ADM3065E在廣泛電源范圍內(nèi)的性能表現(xiàn)均超越了RS-485驅(qū)動器要求

圖9通過1000米電纜的典型應(yīng)用性能，進一步說明了這一點。通過標(biāo)準(zhǔn)AWG 24電纜通信時，ADM3065E的性能比標(biāo)準(zhǔn)的RS-485收發(fā)器高30%——接收節(jié)點上的噪聲容限高30%，或者在低數(shù)據(jù)速率下，最大電纜長度增加30%。這種性能非常適合RS-485電纜長達數(shù)百米的無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。

圖9 ADM3065E能夠為超長距離應(yīng)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(tǒng)噪聲均等地耦合到RS-485雙絞線電纜中的每條導(dǎo)線。雙絞線使產(chǎn)生的噪聲電流沿相反方向流動，與RS-485總線耦合的電磁場相互抵消。這降低了系統(tǒng)的電磁敏感性。此外，ADM3065E增強的2.1 V驅(qū)動強度支持在通信中實現(xiàn)更高的信噪比(SNR)。在長電纜傳輸中，例如地面和無線基站天線之間的距離長達幾百米，具備增強的SNR性能和出色的信號完整性可以確保對天線實施準(zhǔn)確、可靠的傾斜/位置控制。

圖10 無線基礎(chǔ)設(shè)施的電纜長度可能超過幾百米

如圖1所示，RS-485收發(fā)器需要EMC保護，它通過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(qū)動器的裸露RS-485連接器和線纜上的ESD是一個常見系統(tǒng)危險因素。與變速電力驅(qū)動系統(tǒng)的EMC抗擾度要求相關(guān)的系統(tǒng)級IEC 61800-3標(biāo)準(zhǔn)，要求最低±4 kV（接觸）/±8 kV（空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護。ADM3065E超過了這一要求，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

對于無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，需要增強的EMC保護來防止遭受雷擊損壞。在ADM3065E輸入中添加1個SM712 TVS和2個10 Ω協(xié)調(diào)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、過程自動化和無線基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)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5 kV rms信號隔離通道，具有精密時序性能，可以在高達25 Mbps速度下可靠運行。  ADuM6028 隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可提供所需的隔離電源，耐受額定值為5 kV rms。 使用兩個鐵氧體磁珠可以輕松滿足EMC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，例如EN 55022 Class B/CISPR 22，從而可實現(xiàn)6 mm × 7.5 mm緊湊型隔離式DC-DC解決方案。

結(jié)論

ADI公司的ADM3065E RS-485收發(fā)器性能優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與標(biāo)準(zhǔn)RS-485器件相比，它可以實現(xiàn)更快速、更長距離通信。在EnDat 2.25規(guī)定的10%抖動水平下，ADM3065E允許用戶采用最長20米電纜以16 Mhz時鐘速率工作，而標(biāo)準(zhǔn)RS-485器件很難滿足這一要求。ADM3065E的驅(qū)動力超出RS-485總線驅(qū)動要求300%，在使用更長電纜時，提供更出色的可靠性和更高的噪聲容限?？梢酝ㄟ^增加iCoupler隔離來提高抗擾度，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(jié)點的數(shù)量超過8700萬?！盤rofibus Group，2019年5月。

2 Conal Watterson?！癓VDS和M-LVDS電路實施指南?！盇DI公司，2013年3月。

3 “TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)，用于平衡 數(shù)字多點系統(tǒng)的發(fā)電機和接收機的電氣特性。”IHS Markit Inc.，1998年3月。

4 “TIA/EIA-568-B.2，商業(yè)建筑電信布線標(biāo)準(zhǔn)——第2部分：平衡雙絞線組件?！彪娦殴I(yè)協(xié)會，2001年5月。

5 “EnDat 2.2——位置編碼器的雙向接口?！盚eidenhain，2017年9月。

作者簡介

Neil Quinn是ADI公司的產(chǎn)品應(yīng)用工程師，是愛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(shù)字隔離產(chǎn)品。

Richard Anslow是ADI公司自動化與能源業(yè)務(wù)部互連運動和機器人團隊的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他的專長領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監(jiān)測和工業(yè)通信設(shè)計。他擁有愛爾蘭利默里克大學(xué)頒發(fā)的工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。