在RS485網(wǎng)絡(luò)中使用隔離帶來的性能好處

從工業(yè)控制系統(tǒng)到路邊的交通信息通告板，RS485網(wǎng)絡(luò)是各類應(yīng)用進行通信的基礎(chǔ)。在高壓環(huán)境中，從人身安全和設(shè)備保護的角度出發(fā)，常常在通信總線到邏輯控制器之間進行電氣隔離。

隔離對系統(tǒng)性能的正面影響遠非保護其免受危險電壓那么簡單，但這點卻總是被人們忽略，事實上，隔離可以使通信在嚴重地擾動和其它系統(tǒng)級噪聲存在的情況下不間斷、無差錯。

目前市場上有不同廠商提供的隔離式RS485收發(fā)器。這些解決方案大多數(shù)提供數(shù)據(jù)隔離，不提供驅(qū)動總線接口所需的隔離電源。用戶只好自己設(shè)計解決方案，但這需要笨重、昂貴的分立組件以形成隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器?？傮w尺寸、成本、功耗或復雜性可能使設(shè)計師不敢在系統(tǒng)中使用隔離，而系統(tǒng)卻可能從隔離中真正受益。

凌力爾特公司新的隔離器微型模塊(Module)技術(shù)采用小型11.25mm x 15mm x 2.8mm表面貼裝，提供一個完整的電源和數(shù)據(jù)隔離解決方案(圖1)。LTM2881包含一個可靠的隔離式RS485收發(fā)器和一個隔離式DC-DC 轉(zhuǎn)換器，能為總線接口電路和輔助電路提供高達1W的功率。這個微型模塊收發(fā)器不需要外部組件，甚至去耦電容器和一個可電通斷的網(wǎng)絡(luò)終止電阻器也是內(nèi)置的。對于為每個通信節(jié)點的RS485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計隔離來說，易于使用和小的占位面積使LTM2881比以往任何時候都更有吸引力。

圖 1: 凌力爾特公司新的隔離器微型模塊LTM2881。

本文將討論在RS485網(wǎng)絡(luò)中使用隔離帶來的性能好處，指出可能受益于隔離的網(wǎng)絡(luò)特性，解釋為了最大化隔離系統(tǒng)的性能，如何在各種配線配置中進行權(quán)衡。

地與共模電壓干擾

開發(fā)和標準化RS485，是為了在地電位差高達±7V的收發(fā)器之間實現(xiàn)通信。相對于任意節(jié)點的局部“地”，總線上的信號允許承擔-7V至+12V的電壓。這些地電位差由各種情況引起，包括大地地電位變化，或受負載影響的其它電路所共用的接地回路壓降。

在有些情況下，沒有直接聯(lián)系的瞬態(tài)事件可能導致遠超過±7V的地電位改變。這些情況有可能在接收數(shù)據(jù)中引入差錯，或者更糟，去損壞收發(fā)器及有關(guān)的系統(tǒng)電路。恰當使用一個諸如凌力爾特LTM2881的隔離式收發(fā)器，可擴大所允許的共模電壓范圍(差分信號線路相對于地的平均電壓)，并保護電路免受560V連續(xù)高壓或持續(xù)60秒的3750VDC引起的損壞。當網(wǎng)絡(luò)線路在建筑物之間經(jīng)過時，間接的閃電沖擊是常見的引起嚴重電壓干擾的原因。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)常常用來吸收非常高的瞬態(tài)電壓，同時用隔離提供附加的保護。沒有隔離，單次電壓浪涌可能損壞一個網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備。

多次重復的地和信號干擾，可能源自對鄰近RS485總線配線的60Hz AC電源線的耦合，或者60Hz電流可能傳導到共用地或電源線中。計算機、打印機、熒光燈、變速馬達驅(qū)動器和其他的電子非線性負載也會將顯著的頻率諧波引入功率分配中線、接地線和通信網(wǎng)絡(luò)線。正如下面的內(nèi)容將顯示的那樣，這些干擾可能在 RS485網(wǎng)絡(luò)中引起真實的數(shù)據(jù)差錯，而隔離可以減輕這個問題。

發(fā)送數(shù)據(jù)不被接受

面向非隔離和隔離網(wǎng)絡(luò)的RS485配線配置如圖2所示。為了方便起見，該圖顯示了點到點單向通信，但是其中的理念也適用于多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。圖2a顯示了一個用低成本5e類(Cat 5e)電纜實現(xiàn)的非隔離、無屏蔽雙絞線連接。圖3顯示，在驅(qū)動100英尺電纜并在驅(qū)動器和接收器之間引入一個地電位差時，在這個網(wǎng)絡(luò)上的多個點捕捉的示波器波形。波形的顏色對應(yīng)于圖2中探頭位置的顏色。接收器輸出端的所有信號都相對于大地的地電位測量。

圖 2：RS485 配線配置