利用現(xiàn)場(chǎng)總線提升速度，擴(kuò)大覆蓋范圍

簡(jiǎn)介

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

隨著RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線采用率的穩(wěn)定增長(zhǎng)，同時(shí)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(chǎng)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(chǎng)總線技術(shù)必須仔細(xì)權(quán)衡EMC穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性這兩個(gè)因素。

不可靠的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)降低整體系統(tǒng)性能。在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)總線一般用于對(duì)單軸或多軸電機(jī)實(shí)施閉環(huán)位置控制。這些電機(jī)一般處于高數(shù)據(jù)速率、長(zhǎng)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(shí)際性能會(huì)下降，次品率上升，進(jìn)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(chǎng)總線一般用于對(duì)天線實(shí)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(yùn)動(dòng)控制和無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，需要提供不同級(jí)別的EMC保護(hù)，具體如圖1所示。運(yùn)動(dòng)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(duì)于無線基礎(chǔ)設(shè)施，則必須為其提供保護(hù)措施，避免在裸露的環(huán)境中間接遭受雷擊損壞。

對(duì)于這些要求嚴(yán)苛的應(yīng)用，需要仔細(xì)檢查RS-485收發(fā)器的電纜時(shí)序性能，以確保系統(tǒng)可靠性和EMC特性。本文將介紹幾個(gè)重要的系統(tǒng)時(shí)序和通信電纜概念；闡述一些關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括時(shí)鐘和數(shù)據(jù)分配、電纜驅(qū)動(dòng)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(shì)。

時(shí)序性能

為了在高數(shù)據(jù)速率下通過長(zhǎng)電纜實(shí)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(hào)(LVDS)有關(guān)的抖動(dòng)和偏斜等時(shí)序性能概念。RS-485收發(fā)器和系統(tǒng)電纜造成的抖動(dòng)和偏斜都需要考慮。

圖1 RS-485的EMC、數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度要求

抖動(dòng)和偏斜

抖動(dòng)可以量化為時(shí)間間隔誤差；即信號(hào)躍遷的預(yù)期到達(dá)時(shí)間和實(shí)際到達(dá)時(shí)間之間的差值。在通信鏈路中，有多種因素會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)。基本上，每種導(dǎo)致抖動(dòng)的因素都可以描述為是隨機(jī)或確定性的。隨機(jī)抖動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)更明顯。

峰峰值抖動(dòng)是衡量確定性來源產(chǎn)生的系統(tǒng)抖動(dòng)總體性能的有用指標(biāo)。其可以在時(shí)域中測(cè)量，具體是通過在同一顯示屏上疊加大量信號(hào)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(dòng)分解軟件來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。2，如圖2所示。²

圖2 時(shí)間間隔誤差、抖動(dòng)和眼圖

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

圖3 RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中造成抖動(dòng)的主要因素

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

當(dāng)信號(hào)沿的到達(dá)時(shí)間受到處理該信號(hào)沿的數(shù)據(jù)模式影響時(shí)，會(huì)發(fā)生碼間干擾(ISI)。對(duì)于采用長(zhǎng)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(zhǎng)的互聯(lián)會(huì)產(chǎn)生RC時(shí)間常數(shù)，其中電纜電容在單個(gè)位周期結(jié)束時(shí)沒有充滿電。在發(fā)射數(shù)據(jù)只由時(shí)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?yàn)槎探鼐€或終端電阻使用不當(dāng)）引起。具備高輸出驅(qū)動(dòng)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?yàn)樗鼈儗?duì)RS-485電纜負(fù)載電容充電時(shí)所需的時(shí)間更短。

峰峰抖動(dòng)容差的百分比與應(yīng)用高度相關(guān)，一般使用10%抖動(dòng)作為衡量RS-485收發(fā)器和電纜性能的基準(zhǔn)。過度抖動(dòng)和偏斜會(huì)影響接收端RS-485收發(fā)器的采樣性能，增大發(fā)生通信錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)現(xiàn)更可靠、無錯(cuò)的通信鏈路。

RS-485收發(fā)器設(shè)計(jì)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(jì)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(fù)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(shí)序性能（包括偏斜和抖動(dòng)），由IC供應(yīng)商根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格進(jìn)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(hào)質(zhì)量的背景。此標(biāo)準(zhǔn)提供了抖動(dòng)、偏斜和其他時(shí)序測(cè)量的相關(guān)考量和測(cè)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(xì)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(duì)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(cè)提供了很多有用信息，但任何有意義的系統(tǒng)定時(shí)性能表征都需要在長(zhǎng)電纜上測(cè)量RS-485收發(fā)器的性能。

圖4 ADM3065E的典型時(shí)鐘抖動(dòng)性能

使用RS-485實(shí)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(shí)鐘，通常采用電機(jī)編碼標(biāo)準(zhǔn)，例如EnDat 2.2。5事實(shí)證明，ADM3065E在電機(jī)控制應(yīng)用中采用典型電纜長(zhǎng)度的確定性抖動(dòng)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(shí)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(shí)鐘

除了出色的時(shí)鐘分配，ADM3065E時(shí)序性能還支持實(shí)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(dòng)。圖6顯示，通過使用ADM3065E，RS-485數(shù)據(jù)通信的時(shí)序限制會(huì)大大放寬。標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器的抖動(dòng)通常為10%或更低。ADM3065E可以在長(zhǎng)達(dá)100米的電纜上以20 Mbps以上的速度運(yùn)行，并且仍然可以在接收節(jié)點(diǎn)保持10%的抖動(dòng)。這種低水平抖動(dòng)降低了接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤采樣的風(fēng)險(xiǎn)，可實(shí)現(xiàn)使用典型的RS-485收發(fā)器無法實(shí)現(xiàn)的傳輸可靠性。對(duì)于接收節(jié)點(diǎn)可以容忍高達(dá)20%抖動(dòng)的應(yīng)用，可以在100米電纜內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)35 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

圖6 ADM3065E接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)具有出色的抖動(dòng)性能

這種時(shí)序性能使ADM3065E成為電機(jī)控制編碼器通信接口的理想選擇。對(duì)于使用EnDat 2.2編碼器協(xié)議傳輸?shù)拿總€(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)傳輸都與時(shí)鐘下降沿同步。圖7顯示，對(duì)絕對(duì)位置(TCAL)進(jìn)行初始計(jì)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(cuò)誤位（F1，F(xiàn)2）表明了當(dāng)編碼器引起的故障錯(cuò)誤的具體位置。。然后，編碼器發(fā)送一個(gè)絕對(duì)位置值，以LS開頭，后接數(shù)據(jù)。時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)的完整性對(duì)于通過長(zhǎng)電纜能否成功發(fā)送定位和錯(cuò)誤信號(hào)至關(guān)重要，EnDat 2.2指定最大抖動(dòng)為10%。這是EnDat 2.2指定采用20米電纜、16 MHz時(shí)鐘速率時(shí)的最高抖動(dòng)要求。圖4顯示，ADM3065E能夠滿足此要求，時(shí)鐘抖動(dòng)僅5%，圖6顯示ADM3065E能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸抖動(dòng)要求，但標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器不能滿足。

ADI公司對(duì)ADM3065E收發(fā)器出色的電纜時(shí)序性能進(jìn)行表征，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)。

圖7 時(shí)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(shí)施調(diào)整）

更長(zhǎng)電纜通信實(shí)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(dòng)器，在滿負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生至少1.5 V的差分電壓幅值VOD。這個(gè)1.5 VOD允許在長(zhǎng)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(shí)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(fù)載RS-485網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于54 Ω差分負(fù)載，該負(fù)載模擬雙端接總線，包含2個(gè)120 Ω電阻，另外750 Ω則由32個(gè)1單位負(fù)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(shí)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(shí)，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)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(kuò)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(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)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(dòng)器要求

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

圖9 ADM3065E能夠?yàn)槌L(zhǎng)距離應(yīng)用提供出色的差分信號(hào)

EMC保護(hù)和抗擾度

RS-485信號(hào)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(dòng)，與RS-485總線耦合的電磁場(chǎng)相互抵消。這降低了系統(tǒng)的電磁敏感性。此外，ADM3065E增強(qiáng)的2.1 V驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度支持在通信中實(shí)現(xiàn)更高的信噪比(SNR)。在長(zhǎng)電纜傳輸中，例如地面和無線基站天線之間的距離長(zhǎng)達(dá)幾百米，具備增強(qiáng)的SNR性能和出色的信號(hào)完整性可以確保對(duì)天線實(shí)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(zhǎng)度可能超過幾百米

如圖1所示，RS-485收發(fā)器需要EMC保護(hù)，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(jī)驅(qū)動(dòng)器的裸露RS-485連接器和線纜上的ESD是一個(gè)常見系統(tǒng)危險(xiǎn)因素。與變速電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMC抗擾度要求相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)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(hù)。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(hù)。

圖11 具有ESD、EFT和浪涌保護(hù)功能的完整25 Mbps信號(hào)和功率隔離RS-485解決方案

對(duì)于無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，需要增強(qiáng)的EMC保護(hù)來防止遭受雷擊損壞。在ADM3065E輸入中添加1個(gè)SM712 TVS和2個(gè)10 Ω協(xié)調(diào)電阻可以增強(qiáng)EMC保護(hù)，提供最高±30 kV 61000-4-2 ESD保護(hù)和±1 kV IEC 61000-4-5浪涌保護(hù)。

為了提高電氣要求嚴(yán)苛的電機(jī)控制、過程自動(dòng)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(qiáng)型絕緣和5 kV rms瞬態(tài)電壓的電流隔離。 ADuM231D 提供三個(gè)5 kV rms信號(hào)隔離通道，具有精密時(shí)序性能，可以在高達(dá)25 Mbps速度下可靠運(yùn)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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)更快速、更長(zhǎng)距離通信。在EnDat 2.25規(guī)定的10%抖動(dòng)水平下，ADM3065E允許用戶采用最長(zhǎng)20米電纜以16 Mhz時(shí)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(dòng)力超出RS-485總線驅(qū)動(dòng)要求300%，在使用更長(zhǎng)電纜時(shí)，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(hào)隔離器，以及行業(yè)體積最小的隔離功率解決方案ADuM6028。

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作者簡(jiǎn)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(guó)國(guó)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(dòng)化與能源業(yè)務(wù)部互連運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他的專長(zhǎng)領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和工業(yè)通信設(shè)計(jì)。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。