設計用于自動化的工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡

數(shù)據(jù)速率

所有通信網(wǎng)絡的基本功能都是在不同地點之間傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)速率是在一定時間內傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。但是，不同網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)速率可以采用不同方法測量。對于模擬通信（如 4-20mA）來說，速率受到電路元件帶寬的限制。對于數(shù)字通信，速率取決于每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)（二進制數(shù)字）以及對于相關應用實際傳輸?shù)挠行П忍乇壤?P>與網(wǎng)絡速度相關的另一個參數(shù)是數(shù)據(jù)時延，即：從一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個節(jié)點收到數(shù)據(jù)的時間間隔。數(shù)據(jù)速率、收發(fā)器傳播延遲、介質傳播延遲和協(xié)議開銷都會影響數(shù)據(jù)時延。

收發(fā)器傳播延遲一般在 1 微秒以下；介質（光纖或銅線）的傳播延遲只有光速的幾分之幾，因此每米線纜的延遲約為 3～5 納秒。所以，只有在超長線纜（或超高速網(wǎng)絡）中介質延遲才較為明顯。協(xié)議延遲是指，除了消息的數(shù)據(jù)有效負載之外所需的協(xié)議開銷（奇偶校驗、尋址、錯誤檢測、握手位）造成的延遲。該延遲隨網(wǎng)絡標準的不同而各異，但是對于格式復雜的較高級協(xié)議比較明顯。

數(shù)據(jù)速率與數(shù)據(jù)時延差異說明如下：

高數(shù)據(jù)速率／數(shù)據(jù)時延大 - 收聽西班牙語體育節(jié)目的錄音帶

低數(shù)據(jù)速率／數(shù)據(jù)時延小 - 通過電話收聽 James Earl Jones 實況節(jié)目

噪聲抗擾度

工業(yè)環(huán)境面臨大電流組件產生的挑戰(zhàn)，如：馬達、電泵、開關電源、焊接設備以及機器人技術等。為了確保可靠的網(wǎng)絡運行，必須具備對上述噪聲源的抗擾能力。物理層需要合理接地、絕緣以及收發(fā)器功能。網(wǎng)絡中的高信號電平會提高信噪比。盡可能高的接收機閾值電平（常稱為“噪聲抑制”）可以從噪聲中分辨出有效信號。接收機閾值的滯后作用可以降低信號轉換過程中噪聲造成錯誤開關的可能性。 圖2說明滯后作用是如何提高噪聲抑制的。

圖2: 接收機閾值滯后作用

不過，上述每種噪聲抗擾度的改善都需要付出一定代價。高信號電平需要更高的功率，因而有可能對其他組件產生噪聲。高接收機閾值意味著系統(tǒng)更易出現(xiàn)介質信號損失，從而縮短允許的網(wǎng)絡長度。接收機滯后作用在不合理均衡的情況下會產生傳播延遲和脈寬失真。請注意在圖 2 中，滯后作用下的接收機輸出與無滯后作用時相比出現(xiàn)微小的響應延遲。

網(wǎng)絡長度

網(wǎng)絡的另一個指標是數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)木嚯x。工業(yè)網(wǎng)絡通常需要較消費類、計算機或車載應用更長的連接距離。限制可允許的網(wǎng)絡長度的因素包括：介質損耗與電噪聲感應 (Noise pickup) （二者都會影響信噪比）以及介質的傳播延遲（影響時延）。

無論介質是銅線、光纖還是無線電都會出現(xiàn)損耗。光纖損耗極低（λ=1310 nm 時為 0.3 dB/1000m），因此采用光網(wǎng)絡可以實現(xiàn)超長距離的連接。典型的雙絞線銅線具有較高的損耗，頻率為 1 MHz 時每 100 米的損耗約為 1.5dB～5dB。如欲了解有關各種網(wǎng)絡的典型線纜衰減對比，請參見圖 4 。

TIA/EIA-485-A 標準 (RS-485) 規(guī)定的單位負載將假設的電流－電壓負載單位定義為對比收發(fā)器的依據(jù)。RS-485 收發(fā)器提供額定 1/8 單位負載，在不超過標準情況下在同一總線上允許掛接多達 8′32 或 256 個收發(fā)器。

圖4 ：雙絞線線纜每單位長度衰減與頻率的關系圖

網(wǎng)絡標準通過要求比接收電平高得多的發(fā)送信號幅度來彌補介質損耗。例如，RS-485 信令要求至少 1.5 V 的驅動器輸出以及 200 mV 的接收機閾值。這樣可以產生 7.5 的系數(shù)，或者 17.5dB 余量，這使低信令速率下的線纜長度可允許達到 1,200 米左右。表 3 顯示了典型工業(yè)網(wǎng)絡的計算范例。請注意：確定最長允許網(wǎng)絡長度時介質損耗并非唯一需要考慮的因素。