RS-485/RS-422收發(fā)器在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
中華工控網(wǎng)
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由于RS-485收發(fā)器提供了一種簡(jiǎn)單的接口方式，實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的物理層連接，所以有幾種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了RS-485串行口作為通信接口(隨同其它要求)。本文介紹多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，并且重點(diǎn)描述RS-485收發(fā)器所具備的一些突出性能。</P><P> 大量的數(shù)字系統(tǒng)被應(yīng)用于工廠，用來(lái)測(cè)量、匯集、傳輸和顯示數(shù)據(jù)信息。溫度和壓力等參數(shù)被測(cè)量、顯示并且反饋至過(guò)程控制系統(tǒng)，同時(shí)控制對(duì)應(yīng)的閥門(mén)。為了將控制器單元與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來(lái)，許多過(guò)程和制造行業(yè)仍然采用現(xiàn)場(chǎng)多路復(fù)用器或多線連接方式(基于4-20mA或0-10V電路)。由于在這些老系統(tǒng)中所要求的連線太多，因此，現(xiàn)代工廠通過(guò)采用適合于過(guò)程和制造控制的串行、實(shí)時(shí)、數(shù)字連接的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，大大減少了布線工作。</P><P> 現(xiàn)場(chǎng)總線與廣泛使用的Ethernet辦公網(wǎng)絡(luò)相似，即在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，一條總線將所有的設(shè)備連接到中央控制器上。這樣安排不僅節(jié)省了導(dǎo)線，也增加了系統(tǒng)的模塊性。所有設(shè)備通過(guò)軟件來(lái)尋址，以便設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)上的任何插口。主機(jī)檢測(cè)哪個(gè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，并執(zhí)行所要求的初始化過(guò)程，以啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信。</P><P> 現(xiàn)場(chǎng)總線能夠提供優(yōu)于Ethernet的一些優(yōu)點(diǎn)，它可以解釋為什么Ethernet還沒(méi)有運(yùn)行在PLC/工業(yè)PC和現(xiàn)場(chǎng)傳感器/執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間連接的最后一段距離。現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)起到了決定性的作用，即信號(hào)要求被實(shí)時(shí)接收，且接收者需要立即提供一個(gè)認(rèn)可信號(hào)。例如，報(bào)警信號(hào)所要求的決定性因數(shù)是必須被實(shí)時(shí)傳輸。</P><P> 現(xiàn)場(chǎng)總線也更為牢靠，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常要求使用密封的連接器，工作在-40℃~+85℃的整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)(大多數(shù)Ethernet控制器僅允許工作在0℃~70℃的溫度范圍)。當(dāng)然，還是有可能創(chuàng)建一個(gè)工業(yè)Ethernet系統(tǒng)，包括：實(shí)時(shí)性的協(xié)議軟件、堅(jiān)固的連接器以及工業(yè)溫度范圍的控制IC等，但是，這樣的網(wǎng)絡(luò)將更加昂貴。它們還會(huì)帶來(lái)其它費(fèi)用，如補(bǔ)償高速協(xié)議開(kāi)銷，其要求的通信數(shù)據(jù)速率高于常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)總線。 </P><P> <BR> 在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，許多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了將RS-485或RS-422收發(fā)器作為其物理層連接。RS-485收發(fā)器價(jià)格不高，且提供多種有用的特性，包括支持多種傳輸速率。下面所列的幾種主要的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，要么只通過(guò)RS-485傳輸，要么在多種接口方式中包含RS-485方式： <BR> ● 互連資源計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(ARCNET)：提供高達(dá)10Mbps的數(shù)據(jù)速率。由SMC/Datapoint公司(美國(guó))創(chuàng)始于1977年，起初應(yīng)用于辦公網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在也應(yīng)用于工廠。其主要特點(diǎn)是非常靈活。 <BR> ● 位總線(Bitbus)：速率高達(dá)375kbps；由Intel創(chuàng)始于1984年。主要應(yīng)用于制造業(yè)，為可編程控制器(PLC)和主控制器之間提供數(shù)據(jù)通信。 <BR> ● 歐洲安裝總線(EIB)：速率可達(dá)9600bps；創(chuàng)始于1989年(德國(guó))，應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化。 <BR> ● 流量信息過(guò)程總線(WorldFip)：速率高達(dá)2.5Mbps(典型速率1Mbps)；創(chuàng)始于1984年(法國(guó))，主要應(yīng)用于法國(guó)和意大利的工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化。 <BR> ● 局部操作網(wǎng)絡(luò)(LON)：速率高達(dá)1.25Mbps；由Echelon公司(美國(guó))創(chuàng)始于1990年。主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化。 <BR> ● 分散設(shè)備的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(PROFIBUS DP)：速率高達(dá)12Mbps；由PNO公司(德國(guó))創(chuàng)始于1993年。主要應(yīng)用于生產(chǎn)自動(dòng)化。 <BR> ● 互連總線(INTERBUS)：速率高達(dá)2Mbps(典型速率500kbps)；由Phoenix Contact公司(德國(guó))創(chuàng)始于1987年。主要應(yīng)用于生產(chǎn)自動(dòng)化。 <BR> 其它標(biāo)準(zhǔn)(如CAN)具有不同的物理接口，在此，我們僅討論基于RS-485的PROFIBUS DP和Interbus兩種現(xiàn)場(chǎng)總線。在工業(yè)RS-485網(wǎng)絡(luò)中，它們具有最大的市場(chǎng)份額和最快的增長(zhǎng)速度。關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的其它信息，請(qǐng)參見(jiàn)<img align=absmiddle src=pic/url.gif border=0><a target=_blank href=http://www.fieldbusworld.com> http://www.fieldbusworld.com<;/a>。 </P><P> INTERBUS <BR> INTERBUS網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有極低的協(xié)議開(kāi)銷和500kbps的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)速率，允許快速的數(shù)據(jù)傳輸。在2001年，其最高數(shù)據(jù)速率被提升到2Mbps，該速率將成為未來(lái)高速系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)速率。</P><P> INTERBUS的中樞是遠(yuǎn)程總線，由控制數(shù)據(jù)通信的總線主機(jī)指揮。每個(gè)遠(yuǎn)程總線設(shè)備(從機(jī))通過(guò)圖1所示的全雙工、RS-422點(diǎn)到點(diǎn)連接，接口至下一個(gè)設(shè)備。任何兩個(gè)從機(jī)之間允許的最大總線距離為400米，總線全長(zhǎng)限制至13千米。每個(gè)從機(jī)通過(guò)兩個(gè)全雙工RS-422收發(fā)器連接到總線，每個(gè)從機(jī)端安裝一個(gè)。這種連接提供了中繼器功能，確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有較好的傳輸質(zhì)量。</P><P> 最多512個(gè)從機(jī)可以接到一個(gè)主機(jī)，每個(gè)從機(jī)采用自供電方式。從機(jī)還可以具備總線耦合器的功能，連接多達(dá)8個(gè)設(shè)備的局部總線。局部總線總長(zhǎng)度限制為10米、任何兩個(gè)設(shè)備之間為1.5米。局部總線通信使用多對(duì)2芯電纜，采用全雙工CMOS電平信號(hào)，而非標(biāo)準(zhǔn)的RS-422信號(hào)。 <BR> INTERBUS標(biāo)準(zhǔn)要求網(wǎng)絡(luò)上的元件必須通過(guò)某個(gè)授權(quán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證。任何一個(gè)PCB設(shè)計(jì)師可以向當(dāng)?shù)氐腎NTERBUS協(xié)會(huì)申請(qǐng)這樣的認(rèn)證，該協(xié)會(huì)旨在推廣INTERBUS應(yīng)用，它代表了一個(gè)由許多公司組成的國(guó)際組織。 </P><P> RS-422收發(fā)器特性 <BR> 在INTERBUS遠(yuǎn)程總線中，全雙工RS-485收發(fā)器(通常稱為RS-422收發(fā)器)必須支持至少500kbps的數(shù)據(jù)速率。下一代產(chǎn)品要求超過(guò)2Mbps的速率。當(dāng)前應(yīng)用通常采用兼容75179的驅(qū)動(dòng)器，而不考慮它們的靜態(tài)電源電流。即使是所謂低功耗的75LBC179，其典型的靜態(tài)電流還需要4.2mA。而10Mbps的MAX3087E是一款低功耗的替換產(chǎn)品，空載時(shí)僅消耗475mA的電源電流，從而相應(yīng)地降低了滿載時(shí)的電源電流。</P><P> 在要求盡可能地降低功耗時(shí)，電源電流顯得尤其重要。安裝的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可能非常小，導(dǎo)致難以提供足夠的散熱器。而且，許多應(yīng)用要求電氣隔離總線，因此不得不將電源跨過(guò)隔離柵，分配給RS-485收發(fā)器。</P><P> MAX3087E還提供±15kV的ESD保護(hù)。技術(shù)人員可能毀壞某些昂貴而又沒(méi)有ESD保護(hù)的設(shè)備，僅僅通過(guò)直接接觸；靜電釋放還可能發(fā)生在安裝現(xiàn)場(chǎng)總線的電纜過(guò)程中的接觸。Maxim器件所包括的ESD結(jié)構(gòu)保護(hù)多個(gè)接口電路的發(fā)送器輸出和接收器輸入免遭ESD破壞。在生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)人體模型(IEC標(biāo)準(zhǔn)1000-4-2)，以200V增量幅度，在IC的正/負(fù)電源端進(jìn)行ESD測(cè)試。這樣，與其它競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品(也許能夠承受15kV沖擊，但可能失效于6kV)不同,Maxim器件還保證免遭較低的ESD沖擊破壞。 </P><P> PROFIBUS DP <BR> PROFIBUS DP配置為線結(jié)構(gòu)，允許用戶在總線工作時(shí)增加或拆出設(shè)備(圖2)。大多數(shù)應(yīng)用運(yùn)行于12Mbps的最高數(shù)據(jù)速率，但1.5Mbps速率也比較普遍，而且定義的速率可低至9600bps。在12Mbps的速率下，銅纜的最長(zhǎng)總線距離為100m，但是，在低速率下，使用中繼器能夠?qū)⒖偩�總長(zhǎng)度延伸至9.6km。</P><P> PROFIBUS DP采用半雙工RS-485收發(fā)器連接到總線，通過(guò)一對(duì)屏蔽雙絞電纜傳輸數(shù)據(jù)。PROFIBUS還允許使用塑料光纖，實(shí)現(xiàn)光連接。其它家族成員包括：RPOFIBUS FMS(一種應(yīng)用于過(guò)程管理級(jí)的舊版本，目前大多數(shù)被Ethernet取代)以及PROFIBUS PA(一種應(yīng)用于過(guò)程控制的本安類型)。</P><P> PROFIBUS DP允許在每個(gè)總線段內(nèi)連接多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括主機(jī)、從機(jī)以及任何中繼器。你可以增加多達(dá)5個(gè)總線段，每段通過(guò)一個(gè)中繼器隔離。總線大小可以通過(guò)這種方式，擴(kuò)展至總數(shù)126個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于多種診斷功能被加入到實(shí)際信息中，以確保安全的數(shù)據(jù)傳輸，所以PROFIBUS具有較高的協(xié)議開(kāi)銷。</P><P> 通信由一個(gè)或多個(gè)I類主機(jī)控制。系統(tǒng)還包括II類主機(jī)，構(gòu)成人機(jī)接口，用來(lái)編程設(shè)備或操作總線上的系統(tǒng)。從機(jī)可以是一個(gè)傳感器，一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電磁閥)，或者一個(gè)分散的數(shù)字或模擬的輸入/輸出。PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)要求所有連接至PROFIBUS的終端設(shè)備必須得到授權(quán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證(參見(jiàn)<img align=absmiddle src=pic/url.gif border=0><a target=_blank href=http://www.profibus.com>http://www.profibus.com<;/a>)。 </P><P> RS-485/RS-422收發(fā)器特性</P><P> PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)中的半雙工RS-485必須具備處理≥12Mbps的數(shù)據(jù)速率的能力。為了保證在極壞負(fù)載條件下的有效接收器輸入電壓，差分驅(qū)動(dòng)器輸出必須能夠在滿載(27Ω)下達(dá)到≥2.1V的電壓幅度。同時(shí)，為了盡可能地減小信號(hào)失真，驅(qū)動(dòng)器和接收器輸出應(yīng)該具備≤2ns的波形失真。許多應(yīng)用要求特別挑選的75ALS176收發(fā)器，來(lái)達(dá)到這樣的性能等級(jí)。一種新系列的20Mbps、半雙工RS-485收發(fā)器(MAX3463-MAX3464)在滿足PROFIBUS DP要求的同時(shí)，提供幾個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)：</P><P> ● 數(shù)據(jù)速率可達(dá)20Mbps； <BR> ● 相對(duì)極低的電源電流(≤4mA，與75ALS176的≤30mA相比)。收發(fā)器較低的電源電流節(jié)省了成本和板面，這是因?yàn)镻ROFIBUS DP接口在多數(shù)情況下是電氣隔離的。 <BR> ● 所有輸入/輸出引腳上的ESD保護(hù)使IC免遭2kV的ESD沖擊破壞。 <BR> ● 真正的安全故障能力</P><P> 對(duì)于-200mV至+200mV的輸入信號(hào)范圍，RS-485接收器沒(méi)有明確的輸出。對(duì)于RS-485端0V的條件下，在接收器TTL端出現(xiàn)邏輯“高”和邏輯“低”的可能性一樣。如果主機(jī)沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù)，或接線松動(dòng)時(shí)，在半雙工線上就會(huì)出現(xiàn)這種不確定狀態(tài)。在每個(gè)總線的末端加入一個(gè)終端網(wǎng)絡(luò)(圖3)，能夠保證那些不具備安全故障模式的PROFIBUS RS-485收發(fā)器輸出確定的狀態(tài)。</P><P> 應(yīng)用于MAX3463/MAX3464器件中的Maxim真正的安全故障特性，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)精密的接收器門(mén)限范圍，避免采用外部偏置電阻，而且保證接收器在0輸入下產(chǎn)生邏輯“高”輸出的同時(shí)，完全遵從RS-485規(guī)范。在差分線之間保留終端匹配電阻，在去掉330Ω的上拉和下拉電阻后，將節(jié)省更多的功耗。</P><P> 標(biāo)準(zhǔn)RS-485驅(qū)動(dòng)器具備驅(qū)動(dòng)32個(gè)單位負(fù)載的能力，確定了在一個(gè)PROFIBUS DP總線段內(nèi)最多連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。一個(gè)單位負(fù)載定義為12kΩ，對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)RS-485接收器的輸入阻抗。MAX3463/MAX3464接收器的較高輸入阻抗(48 kΩ，1/4個(gè)單位負(fù)載)允許總線上連接128個(gè)收發(fā)器。RS-485收發(fā)器可隨意組合，能夠連接至同一個(gè)總線段，但要保證這些電路的實(shí)際并聯(lián)阻抗高于375 Ω(32個(gè)單位負(fù)載)。</P><P> 顯然地，PROFIBUS DP數(shù)量能夠增加至每段128個(gè)節(jié)點(diǎn)，5段內(nèi)總數(shù)為640個(gè)節(jié)點(diǎn)。MAX3463還包括另外一個(gè)有用的特性，即支持“熱插拔”特性。當(dāng)總線節(jié)點(diǎn)處于上電過(guò)程或插入正在工作的背板時(shí)，則存在一個(gè)較短間隔，即處理器或控制ASIC執(zhí)行上電序列的時(shí)間。在此期間，處理器的輸出驅(qū)動(dòng)器處于高阻態(tài)，以致不能夠驅(qū)動(dòng)RS-485收發(fā)器的控制線(/RE、DE、DI)至確定的邏輯電平。</P><P> 來(lái)自高阻驅(qū)動(dòng)器的漏電流(多達(dá)10μA)能夠引起RS-485電路控制線向高或低漂移。另外，板上的寄生電容能夠?qū)⒖刂菩盘?hào)耦合到GND或VCC。這些因數(shù)引起控制線漂向某個(gè)電平，可能打開(kāi)電路的發(fā)送器(A和B)。為了避免這種情況發(fā)生，MAX3463包括“可熱插拔”的輸入端，在VCC上升過(guò)程中，禁止MAX3463的控制線�！盁岵灏巍陛斎肟朔寺╇娏骱图纳娙菘赡芤鹂刂凭�變?yōu)槭鼓軤顟B(tài)。全雙工型號(hào)(MAX3460-MAX3462)提供給高速RS-422應(yīng)用。</P><P> 由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)包括大量的RS-485或RS-422驅(qū)動(dòng)器，所以供給驅(qū)動(dòng)器的功率成為系統(tǒng)成本的一個(gè)重要部分。在要求電源跨過(guò)隔離柵供電時(shí)，尤其正確。因?yàn)樵缙诘腞S-485/RS-422驅(qū)動(dòng)器需要大量的電源電流(多達(dá)30mA的靜態(tài)電流，外加負(fù)載電流)，所以在系統(tǒng)中采用現(xiàn)代的CMOS驅(qū)動(dòng)器，將大大節(jié)省成本。新型CMOS驅(qū)動(dòng)器提供多種附加的優(yōu)點(diǎn)(ESD保護(hù)、安全故障能力和降低的單位負(fù)載)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和性價(jià)比。
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中華工控網(wǎng)
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