使用现场总线更快更远

使用现场总线更快更远

Going faster and further with Fieldbus

PROCENTEC等行业专家表示，基于RS-485的现场总线技术（PROFIBUS®）和工业以太网（PROFINET）的快速增长正稳步增长。2018年，全球安装了6100万个PROFIBUS现场总线节点，其中PROFIBUS过程自动化（PA）同比增长7%。PROFINET的安装基数为2600万个节点，仅2018年就安装了510万台设备。            

随着RS-485现场总线应用的稳步增长和工业4.0加速了智能连接工厂的部署，确保现场总线技术得到优化有助于实现智能系统。优化的现场总线技术必须仔细平衡EMC的健壮性和可靠的数据传输。             

不可靠的数据传输将降低整个系统的性能。在运动控制应用中，现场总线通常用于单轴或多轴电机的闭环位置控制。高数据速率和长电缆很常见，如图1所示。在实际情况下，如果生产能力下降，则意味着机器性能下降。在无线基础设施应用中，现场总线通常用于天线的倾斜/位置控制，而精确的数据传输至关重要。在运动控制和无线基础设施应用程序中，需要不同级别的EMC保护，如图1所示。运动控制应用程序通常在电噪声环境中工作，这可能会导致数据错误。相比之下，无线基础设施必须受到保护，以防在暴露环境中遭受破坏性的间接雷击。             

对于这些要求苛刻的应用，需要仔细检查RS-485收发器在电缆上的定时性能，以确保系统可靠，以及EMC特性。本文介绍了一些关键的系统定时和通信电缆概念；提供了关键性能指标，包括时钟和数据分布以及电缆驱动能力；并展示了使用下一代RS-485收发器的工业应用的好处。             

定时性能             

当考虑在长电缆长度上以高数据速率进行可靠的数据传输时，定时性能概念，例如与低压差分信号（LVDS）相关的抖动和偏移-对于RS-485变得非常重要。RS-485收发器和系统电缆增加的抖动和倾斜都需要检查。

 

 

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

抖动和倾斜Jitter and Skew             

抖动可以量化为时间间隔误差，特别是信号转换的预期到达时间与实际到达时间之间的差异。在通信链路中，抖动有各种各样的因素。在本质上，每个贡献者都可以被广泛地描述为随机的或确定性的。随机抖动可以从它的高斯分布中识别出来，它来源于半导体内部的热噪声和宽带散粒噪声。确定性抖动是由通信系统内的信号源引起的，例如占空比失真、串扰、周期性外部噪声源或码间干扰。在使用RS-485标准的通信系统中，数据速率低于100mhz，在这种情况下，这些确定性的抖动效应支配着随机效应。             

峰值到峰值抖动值是由确定性源引起的系统总抖动的一个有用的度量。通过在同一显示器上叠加大量的信号跃迁（通常称为眼图），可以在时域中检查峰间抖动。这可以在使用无限持久性的示波器显示器上实现，也可以使用示波器的内置抖动分解软件来实现，如图2所示。

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

叠加过渡的宽度是峰间抖动，中间的开放区域称为眼睛。此孔是长RS-485电缆远端的接收节点可进行采样的区域。较大的眼睛宽度为接收节点提供了更宽的采样窗口，并降低了错误接收的风险。可用眼主要受来自RS-485驱动器和接收器以及互连电缆的确定性抖动影响。

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

图3显示了通信网络中的各种抖动源。在基于RS-485的通信系统中，影响定时性能的两个关键因素是收发器脉冲偏斜和码间干扰。脉冲偏移，也称为脉冲宽度失真或占空比失真，是由收发器在发送和接收节点处引入的一种确定性抖动。脉冲偏移定义为信号上升沿和下降沿之间的传播延迟差。在差分通信中，这种偏差产生了一个非对称的交叉点，并且在传输的0和1的持续时间之间产生了不匹配。在时钟分配系统中，过度的脉冲偏移表现为传输时钟的占空比失真。在数据分发系统中，这种不对称性增加了在眼图中观察到的峰间抖动。在这两种情况下，过多的脉冲偏斜会对通过RS-485传输的信号产生负面影响，并降低可用的采样窗口和整个系统性能。             

当信号边缘的到达时间受到经过该边缘的数据模式的影响时，就会发生符号间干扰（ISI）。码间干扰效应在使用较长电缆互连的应用中变得突出，这使得ISI成为RS-485网络中的一个关键因素。较长的互连产生一个RC时间常数，其中电缆电容在一个位周期结束时尚未完全充电。在传输数据仅由时钟组成的应用中，不存在这种码间干扰。码间干扰也可由电缆传输线上的阻抗失配、线头或终端电阻的不当使用引起。具有高输出驱动强度的RS-485收发器通常有助于最小化ISI效应，因为它们需要较少的时间来为RS-485电缆的负载电容充电。             

可容忍的峰间抖动百分比高度依赖于应用，通常使用10%的抖动来衡量RS-485收发器和电缆性能的组合。抖动增加了485收发信机接收误差的可能性。在端接正确的传输网络中，选择一个经过优化以最小化收发器脉冲偏斜和码间干扰影响的收发器，可以获得更可靠、无差错的通信链路。

RS-485收发器设计与电缆效应             

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485标准3规定了RS-485发射机和接收机的设计和工作范围，包括电压输出差分（VOD）、短路特性、共模负载和输入电压阈值和范围。TIA-485-A/EIA-485-A标准未规定RS-485定时性能，包括偏差和抖动，而是由IC供应商根据产品数据表规范进行优化。             

其他标准，如TIA-568-B.2/EIA-568-B.2、双绞线电缆通信标准4，为电缆交流和直流对RS-485信号质量的影响提供了背景。本标准提供了抖动、偏斜和其他定时测量的注意事项和测试程序，并设置了性能限制；例如，5e类电缆的最大允许偏差为每100米45纳秒。有关TIA-568-B.2/EIA-568-B.2标准和使用非理想的后果的更多信息，请阅读增强的RS-485性能系统性能布线。             

虽然可用的标准和产品数据表提供了一个很好的有用的信息来源，任何有意义的系统定时性能的表征都需要测量一根长电缆上的RS-485收发器。

Figure 4. ADM3065E typical clock jitter performance. 

与RS-485通信更快更远             

下一代RS-475收发器提供了增强的性能，以满足使用TIA-485-A/EIA-485-A等标准的应用程序的需要，这些标准没有定义倾斜和抖动。例如，来自模拟设备的RS0485收发器（如ADM3065E）提供超低的发射机和接收机倾斜性能。这使得系统能够支持精确时钟的传输，这通常是电机编码标准中的特征，例如图4和图5所示的EnDat 2.2.5，系统已经被证明在电机控制应用中遇到的典型电缆长度上的确定性抖动小于5%。收发器的宽电源范围意味着这种定时性能水平可用于需要3.3V或5V收发器电源的应用。

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

除了优越的时钟分布，增强的定时性能还可以实现可靠的数据分布，高速输出和最小的附加抖动。图6显示，通过使用增强型收发器，RS-485数据通信通常引用的定时限制可以大大放宽。标准的RS-485收发器通常用于10%或更少抖动的操作。ADM3065E可以在最长100米的电缆上以大于20 Mbps的速度工作，并且在接收节点处仍然只保持10%的抖动。这种低水平的抖动降低了接收数据节点错误采样的风险，并导致以前使用典型的RS-485收发器无法实现传输的可靠性。在接收节点可以容忍高达20%的抖动水平的应用中，可以在100米的电缆线路上实现高达35 Mbps的数据速率。

Figure 6. ADM3065E receiving data node superior jitter performance.

对于使用EnDat 2.2编码器协议传输的每个数据包，数据与下降的时钟边缘同步传输。图7说明了在初始计算绝对位置（TCAL）之后，起始位开始从编码器向主控制器传输数据。随后的错误位（F1，F2）指示编码器的故障何时会导致不正确的位置值。编码器然后传输一个绝对位置值，从LS开始，数据如下。时钟和数据信号的完整性对于在长电缆线路上成功发送定位和错误信号至关重要，EnDat 2.2规定了最大10%的抖动。EnDat 2.2规定了在20米电缆上以16兆赫时钟速率进行的最大操作。图4显示，只有5%的时钟抖动可以满足这些要求，图6显示数据传输的抖动要求得到满足，而标准的RS-485收发器则不满足。这一点很重要，因为与电缆相比，优越的定时性能可确保系统设计者拥有必要的信息，使设计能够成功地满足EnDat 2.2规范的要求。

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

长电缆更可靠             

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485标准3要求兼容的RS-485驱动器在满载网络中产生至少1.5 V的差分电压幅值VOD。这种1.5VOD允许在长电缆长度上产生1.3V的电压直流衰减，RS-485接收器规定在至少200 mV输入差分电压下工作。如果收发器设计为在5 V供电时输出至少2.1 V的VOD，则设计者可以超过RS-485规范要求。             

一个满载的RS-485网络相当于一个54Ω的差分负载，它模拟了一个由两个120Ω电阻器组成的双端总线，另一个750Ω代表一个单位负载的32个连接设备，即12kΩ。ADM3065E采用专有的输出架构，在满足所需共模电压范围的同时，最大限度地提高VOD，超过了TIA-485-a/EIA-485-a的要求。图8说明了当从3.3V电源轨供电时，收发器如何超过RS-485标准的驱动器要求，或超过300%从一个5伏的电源轨。这使得系统能够比常规的RS-485收发器更进一步地与更多的远程节点和更大的噪声裕度进行通信。

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

图9进一步说明了1000米以上电缆的典型应用中的这一点。当通过标准AWG 24电缆进行通信时，增强型收发器比标准RS-485收发器好30%，在接收节点的噪声裕度大30%，或者在低数据速率下最大电缆长度增加30%。这种性能非常适合无线基础设施应用，其中RS-485电缆的长度超过几百米。

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

电磁兼容保护和抗扰度             

RS-485信号是平衡的，差分的，固有的噪声免疫。系统噪声平均耦合到RS-485双绞线电缆中的每条导线上。双绞线布线导致感应噪声电流反向流动，耦合到RS-485总线上的电磁场相互抵消。这降低了系统的电磁敏感性。此外，更大的驱动强度使得通信中的信噪比（SNR）更高。超长的电缆线路，如地面和无线基站天线之间数百米的距离，具有增强的信噪比，以及出色的信号完整性，确保了天线精确可靠的倾斜/位置控制。

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

如图1所示，通过相邻的连接器和电缆直接与外界连接的RS-485收发器需要EMC保护。例如，RS-485驱动系统上的ESD-485连接线暴露在电机上。与可调速电力驱动系统的EMC抗扰度要求相关的系统级IEC 61800-3标准要求最小±4 kV接触/±8 kV空气IEC 61000-4-2 ESD保护。增强型收发器（如ADM3065E）通过±12 kV接触/±12 kV空气IEC 61000-4-2 ESD保护超过了这一要求。

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

对于无线基础设施应用程序，需要增强的EMC保护来防止破坏性的雷电浪涌事件。在收发器输入端增加一个SM712电视和两个10Ω协调电阻器，可提供增强的EMC保护，最高可达到±30 kV 61000-4-2 ESD保护和±1 kV IEC 61000-4-5浪涌保护。             

为了提高电刺激电机控制、过程自动化和无线基础设施应用的抗扰度，可以添加电流隔离。可使用模拟设备的iCoupler®和isoPower®技术，在ADM3065E中加入增强绝缘和5 kV rms瞬态耐受电压的电流隔离。ADuM231D提供所需的三个5 kV rms信号隔离通道，具有精确的定时性能，可在高达25 Mbps的速率下稳健运行。ADuM6028隔离dc-dc转换器提供所需的隔离电源，其耐受额定值为5 kV rms。两个铁氧体磁珠可轻松满足EMC合规性标准，如EN 55022 Class B/CISPR 22，从而形成一个6 mm×7.5 mm形状因数的紧凑型隔离dc-dc解决方案。             

下一代RS-485收发器的性能优于行业标准，与标准RS-485设备相比，可以实现更远更快的通信。在EnDat 2.25中规定的10%抖动水平下，系统可以在最大20米的布线上以16兆赫的时钟速率运行，而标准RS-485则难以满足这一要求。超过RS-485总线驱动要求高达300%，提供了更好的可靠性和更长的电缆噪声裕度。通过增加I耦合器隔离，包括ADuM231D信号隔离器和业界最小的外形因数隔离电源解决方案ADuM6028，可以提高抗噪性。