RS-485/RS-422收發(fā)器在現場總線網絡中的應用
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由于RS-485收發(fā)器提供了一種簡單的接口方式，實現工業(yè)網絡中的物理層連接，所以有幾種現場總線標準規(guī)定了RS-485串行口作為通信接口(隨同其它要求)。本文介紹多種現場總線技術，并且重點描述RS-485收發(fā)器所具備的一些突出性能。</P><P> 大量的數字系統(tǒng)被應用于工廠，用來測量、匯集、傳輸和顯示數據信息。溫度和壓力等參數被測量、顯示并且反饋至過程控制系統(tǒng)，同時控制對應的閥門。為了將控制器單元與傳感器和執(zhí)行機構連接起來，許多過程和制造行業(yè)仍然采用現場多路復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，現代工廠通過采用適合于過程和制造控制的串行、實時、數字連接的工業(yè)網絡，大大減少了布線工作。</P><P> 現場總線與廣泛使用的Ethernet辦公網絡相似，即在同一個網絡上，一條總線將所有的設備連接到中央控制器上。這樣安排不僅節(jié)省了導線，也增加了系統(tǒng)的模塊性。所有設備通過軟件來尋址，以便設備連接到網絡上的任何插口。主機檢測哪個設備連接到網絡，并執(zhí)行所要求的初始化過程，以啟動網絡通信。</P><P> 現場總線能夠提供優(yōu)于Ethernet的一些優(yōu)點，它可以解釋為什么Ethernet還沒有運行在PLC/工業(yè)PC和現場傳感器/執(zhí)行機構之間連接的最后一段距離�，F場總線的一個優(yōu)點起到了決定性的作用，即信號要求被實時接收，且接收者需要立即提供一個認可信號。例如，報警信號所要求的決定性因數是必須被實時傳輸。</P><P> 現場總線也更為牢靠，工業(yè)網絡經常要求使用密封的連接器，工作在-40℃~+85℃的整個工業(yè)溫度范圍內(大多數Ethernet控制器僅允許工作在0℃~70℃的溫度范圍)。當然，還是有可能創(chuàng)建一個工業(yè)Ethernet系統(tǒng)，包括：實時性的協(xié)議軟件、堅固的連接器以及工業(yè)溫度范圍的控制IC等，但是，這樣的網絡將更加昂貴。它們還會帶來其它費用，如補償高速協(xié)議開銷，其要求的通信數據速率高于常規(guī)的現場總線。 </P><P> <BR> 在工業(yè)網絡中，許多現場總線標準規(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場總線標準，要么只通過RS-485傳輸，要么在多種接口方式中包含RS-485方式： <BR> ● 互連資源計算機網絡(ARCNET)：提供高達10Mbps的數據速率。由SMC/Datapoint公司(美國)創(chuàng)始于1977年，起初應用于辦公網絡，現在也應用于工廠。其主要特點是非常靈活。 <BR> ● 位總線(Bitbus)：速率高達375kbps；由Intel創(chuàng)始于1984年。主要應用于制造業(yè)，為可編程控制器(PLC)和主控制器之間提供數據通信。 <BR> ● 歐洲安裝總線(EIB)：速率可達9600bps；創(chuàng)始于1989年(德國)，應用于樓宇自動化。 <BR> ● 流量信息過程總線(WorldFip)：速率高達2.5Mbps(典型速率1Mbps)；創(chuàng)始于1984年(法國)，主要應用于法國和意大利的工業(yè)過程自動化。 <BR> ● 局部操作網絡(LON)：速率高達1.25Mbps；由Echelon公司(美國)創(chuàng)始于1990年。主要應用于樓宇自動化。 <BR> ● 分散設備的過程現場總線(PROFIBUS DP)：速率高達12Mbps；由PNO公司(德國)創(chuàng)始于1993年。主要應用于生產自動化。 <BR> ● 互連總線(INTERBUS)：速率高達2Mbps(典型速率500kbps)；由Phoenix Contact公司(德國)創(chuàng)始于1987年。主要應用于生產自動化。 <BR> 其它標準(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兩種現場總線。在工業(yè)RS-485網絡中，它們具有最大的市場份額和最快的增長速度。關于現場總線標準的其它信息，請參見<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網絡采用環(huán)形結構，具有極低的協(xié)議開銷和500kbps的標準數據速率，允許快速的數據傳輸。在2001年，其最高數據速率被提升到2Mbps，該速率將成為未來高速系統(tǒng)的標準速率。</P><P> INTERBUS的中樞是遠程總線，由控制數據通信的總線主機指揮。每個遠程總線設備(從機)通過圖1所示的全雙工、RS-422點到點連接，接口至下一個設備。任何兩個從機之間允許的最大總線距離為400米，總線全長限制至13千米。每個從機通過兩個全雙工RS-422收發(fā)器連接到總線，每個從機端安裝一個。這種連接提供了中繼器功能，確保整個網絡具有較好的傳輸質量。</P><P> 最多512個從機可以接到一個主機，每個從機采用自供電方式。從機還可以具備總線耦合器的功能，連接多達8個設備的局部總線。局部總線總長度限制為10米、任何兩個設備之間為1.5米。局部總線通信使用多對2芯電纜，采用全雙工CMOS電平信號，而非標準的RS-422信號。 <BR> INTERBUS標準要求網絡上的元件必須通過某個授權測試實驗室的認證。任何一個PCB設計師可以向當地的INTERBUS協(xié)會申請這樣的認證，該協(xié)會旨在推廣INTERBUS應用，它代表了一個由許多公司組成的國際組織。 </P><P> RS-422收發(fā)器特性 <BR> 在INTERBUS遠程總線中，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的數據速率。下一代產品要求超過2Mbps的速率。當前應用通常采用兼容75179的驅動器，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品，空載時僅消耗475mA的電源電流，從而相應地降低了滿載時的電源電流。</P><P> 在要求盡可能地降低功耗時，電源電流顯得尤其重要。安裝的現場總線設備可能非常小，導致難以提供足夠的散熱器。而且，許多應用要求電氣隔離總線，因此不得不將電源跨過隔離柵，分配給RS-485收發(fā)器。</P><P> MAX3087E還提供±15kV的ESD保護。技術人員可能毀壞某些昂貴而又沒有ESD保護的設備，僅僅通過直接接觸；靜電釋放還可能發(fā)生在安裝現場總線的電纜過程中的接觸。Maxim器件所包括的ESD結構保護多個接口電路的發(fā)送器輸出和接收器輸入免遭ESD破壞。在生產過程中，根據人體模型(IEC標準1000-4-2)，以200V增量幅度，在IC的正/負電源端進行ESD測試。這樣，與其它競爭產品(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配置為線結構，允許用戶在總線工作時增加或拆出設備(圖2)。大多數應用運行于12Mbps的最高數據速率，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，銅纜的最長總線距離為100m，但是，在低速率下，使用中繼器能夠將總線總長度延伸至9.6km。</P><P> PROFIBUS DP采用半雙工RS-485收發(fā)器連接到總線，通過一對屏蔽雙絞電纜傳輸數據。PROFIBUS還允許使用塑料光纖，實現光連接。其它家族成員包括：RPOFIBUS FMS(一種應用于過程管理級的舊版本，目前大多數被Ethernet取代)以及PROFIBUS PA(一種應用于過程控制的本安類型)。</P><P> PROFIBUS DP允許在每個總線段內連接多達32個節(jié)點，包括主機、從機以及任何中繼器。你可以增加多達5個總線段，每段通過一個中繼器隔離。總線大小可以通過這種方式，擴展至總數126個節(jié)點。由于多種診斷功能被加入到實際信息中，以確保安全的數據傳輸，所以PROFIBUS具有較高的協(xié)議開銷。</P><P> 通信由一個或多個I類主機控制。系統(tǒng)還包括II類主機，構成人機接口，用來編程設備或操作總線上的系統(tǒng)。從機可以是一個傳感器，一個執(zhí)行機構(如電磁閥)，或者一個分散的數字或模擬的輸入/輸出。PROFIBUS標準要求所有連接至PROFIBUS的終端設備必須得到授權測試實驗室的認證(參見<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網絡中的半雙工RS-485必須具備處理≥12Mbps的數據速率的能力。為了保證在極壞負載條件下的有效接收器輸入電壓，差分驅動器輸出必須能夠在滿載(27Ω)下達到≥2.1V的電壓幅度。同時，為了盡可能地減小信號失真，驅動器和接收器輸出應該具備≤2ns的波形失真。許多應用要求特別挑選的75ALS176收發(fā)器，來達到這樣的性能等級。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，提供幾個額外的優(yōu)點：</P><P> ● 數據速率可達20Mbps； <BR> ● 相對極低的電源電流(≤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，這是因為PROFIBUS DP接口在多數情況下是電氣隔離的。 <BR> ● 所有輸入/輸出引腳上的ESD保護使IC免遭2kV的ESD沖擊破壞。 <BR> ● 真正的安全故障能力</P><P> 對于-200mV至+200mV的輸入信號范圍，RS-485接收器沒有明確的輸出。對于RS-485端0V的條件下，在接收器TTL端出現邏輯“高”和邏輯“低”的可能性一樣。如果主機沒有傳輸數據，或接線松動時，在半雙工線上就會出現這種不確定狀態(tài)。在每個總線的末端加入一個終端網絡(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> 應用于MAX3463/MAX3464器件中的Maxim真正的安全故障特性，通過構建一個精密的接收器門限范圍，避免采用外部偏置電阻，而且保證接收器在0輸入下產生邏輯“高”輸出的同時，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> 標準RS-485驅動器具備驅動32個單位負載的能力，確定了在一個PROFIBUS DP總線段內最多連接32個節(jié)點。一個單位負載定義為12kΩ，對應于標準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個單位負載)允許總線上連接128個收發(fā)器。RS-485收發(fā)器可隨意組合，能夠連接至同一個總線段，但要保證這些電路的實際并聯阻抗高于375 Ω(32個單位負載)。</P><P> 顯然地，PROFIBUS DP數量能夠增加至每段128個節(jié)點，5段內總數為640個節(jié)點。MAX3463還包括另外一個有用的特性，即支持“熱插拔”特性。當總線節(jié)點處于上電過程或插入正在工作的背板時，則存在一個較短間隔，即處理器或控制ASIC執(zhí)行上電序列的時間。在此期間，處理器的輸出驅動器處于高阻態(tài)，以致不能夠驅動RS-485收發(fā)器的控制線(/RE、DE、DI)至確定的邏輯電平。</P><P> 來自高阻驅動器的漏電流(多達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將控制信號耦合到GND或VCC。這些因數引起控制線漂向某個電平，可能打開電路的發(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(MAX3460-MAX3462)提供給高速RS-422應用。</P><P> 由于現場總線系統(tǒng)包括大量的RS-485或RS-422驅動器，所以供給驅動器的功率成為系統(tǒng)成本的一個重要部分。在要求電源跨過隔離柵供電時，尤其正確。因為早期的RS-485/RS-422驅動器需要大量的電源電流(多達30mA的靜態(tài)電流，外加負載電流)，所以在系統(tǒng)中采用現代的CMOS驅動器，將大大節(jié)省成本。新型CMOS驅動器提供多種附加的優(yōu)點(ESD保護、安全故障能力和降低的單位負載)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和性價比。
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