采用PROFIBUS標準的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

采用PROFIBUS標準的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

過程自動化、工廠自動化或運動控制中的工業(yè)通信是通過現(xiàn)場總線技術(shù)來實現(xiàn)的?，F(xiàn)場總線是指使用一系列媒介的工業(yè)通信系統(tǒng)，例如：銅質(zhì)線纜、光纖或無線鏈接，并采用比特串行傳輸技術(shù)將分布式現(xiàn)場器件（傳感器、傳動器、驅(qū)動器和變送器等等）耦合至中心控制系統(tǒng)或管理系統(tǒng)。

　　在過去的十年里，PROFIBUS 成為了全球現(xiàn)場總線技術(shù)市場的領(lǐng)頭羊，其在提供現(xiàn)場級橫向通信的同時，還可通過數(shù)個等級分層提供縱向通信。分層和協(xié)調(diào)配合工作的工業(yè)通信系統(tǒng)[例如：同時具有低層面 AS 接口連接和高層面以太網(wǎng)連接（通過 PROFInet）的PROFIBUS]可為生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)中的清晰聯(lián)網(wǎng)提供理想的先決條件（請參見圖 1）。

　　
圖 1 自動控制技術(shù)中的通信圖解

　　傳感器—傳動器層級通信：二進制傳感器和傳動器信號通過傳感器傳動器總線進行傳輸，從而提供了一種數(shù)據(jù)和電量能通過一種共享的媒介進行傳輸?shù)牡统杀厩液唵我仔械募夹g(shù)。

　　現(xiàn)場層級通信：分布式設(shè)備（如 I/O 模塊、變送器、驅(qū)動裝置、分析設(shè)備以及電子管或操作員終端）通過一個功能強大的實時通信系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)進行通信。

　　光電元件層級通信：可編程控制器（如PLC 和 PC）之間不但互相通信，而且還通過使用諸如以太網(wǎng)、TCP/IP、企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)等標準和辦公室應用中的 IT 系統(tǒng)進行通信。

　　PROFIBUS 和其他現(xiàn)場總線系統(tǒng)已于 1999 年被確立為國際標準——IEC 61158。該標準的第二部分 (IEC 61158-2) 定義了幾種傳輸技術(shù)，其中 RS-485 就是 PROFIBUS 中一種最為常用的技術(shù)。

　　PROFIBUS標準的兼容性要視具體的應用而定，這種設(shè)計所采用的幾個組件會對整體兼容性產(chǎn)生影響，其中的一個組件便是 RS-485 收發(fā)器。選擇一個收發(fā)器時，您必須要了解物理層，并清楚該收發(fā)器在該物理層中的作用。

　　PROFIBUS 收發(fā)器的選擇

　　兩個關(guān)鍵特性使 PROFIBUS 有別于標準的 RS-485 收發(fā)器。第一個特性是驅(qū)動器的差動輸出 VOD，且非常適用于 PROFIBUS DP 應用。第二個特性是為總站電容組成部分的差動輸出電容，從而限制了 IEC 61158-2 規(guī)定的最大信令速率。

　　差動輸出電壓 (VOD)

　　RS-485 將 VOD 定義為 –7V～12V 共模電壓范圍中 60-Ω 電阻兩端的差動輸出電壓（請參見圖 2）。PROFIBUS DP 主從通信協(xié)議測試規(guī)范要求，峰至峰差動輸出電壓VOD (PP) 應該介于 4V～7V 之間。大多數(shù)產(chǎn)品說明書都沒有規(guī)定峰至峰值，而是規(guī)定了最小的零至峰值電壓 VOD = ±2.1V，也就是 4.2 VPP。

圖 2 施加一定負載的 RS-485 總線收發(fā)器與施加相同負載的 PROFIBUS 收發(fā)器的比較

　　將 VOD 定義運用于 PROFIBUS 負載

　　圖 2 中左邊的等效電路顯示了一個 32 單位負載的 RS－485 總線，而右邊的電路則顯示了一個相同單位負載的 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)。等效電路的變化是由 PROFIBUS 標準的額外要求引起的，該標準要求必須在總線兩端各提供一個上拉電阻和一個下拉電阻，以在出現(xiàn)一個總線閑置時保持差動電壓。

　　高 VOD 提供了更大的噪聲容限

　　5V 端接電壓帶來了 VOD 的正向偏移，從而將一個非對稱波形帶至接收機輸入端。這種非對稱性會導致接收機輸出端上的占空比失真。占空比失真的程度取決于信號上升和下降次數(shù)，以及接收機的輸入閥值。由于大多數(shù) PROFIBUS 應用均處在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中，因此非對稱性還意味著一種邏輯狀態(tài)的噪聲容限比另一種特別關(guān)注的邏輯狀態(tài)的噪聲容限低。最終，驅(qū)動器必須要克服這種偏移，以滿足 PROFIBUS DP 測試準則的要求，即要求總線電壓振幅變化不超過 0.5V。

　　正是由于上述原因，PROFIBUS 驅(qū)動器規(guī)定的最小 VOD 值應大于 RS-485 應用中的典型值。

　　反射和 Vcc 變化帶來更大的 VOD

　　PROFIBUS 標準定義了 A 型線纜的規(guī)格（請參見 IEC 61158-2 的表 100），其將被用于 220Ω 總線終端。由于這種特有線纜阻抗值可以在 135Ω～165Ω 之間變化（在 20MHz 的帶寬范圍），而線纜末端的等效差動終端阻抗為 171Ω，因此阻抗不匹配所帶來的反射和電源電壓變化將使 VOD 超過表 1 所示的 PROFIBUS DP 測試準則規(guī)定的限制等級。

表 1 隨著 Vcc 變化而變化的 VOD

　　因此，為了確保標準的兼容性，我們強烈建議將 Vcc 限制在 5V，并選擇一條特性阻抗接近 165Ω 的線纜。

PROFIBUS 標準 EN 50170 和 IEC61158-2 規(guī)定了特定信令速率的最大總線電容，總線電容越高，信令速率就越低。例如，在500 kbps 的信令速率時，所有總線節(jié)點的總電容不超過 600 pF，而在 12 Mbps 的信令速率時，最大允許電容為 200 pF。總線電容包括了總線上所有連接器、短截線和器件的差動電容，但不包括線纜電容。由于總線電容的變化主要是由器件電容的變化引起的，因此，從理想的層面上來說，PROFIBUS 收發(fā)器的產(chǎn)品說明書應該規(guī)定最大輸出電容，以允許對最大可能信令速率進行準確預計。到目前為止，唯一能夠確保 10 pF 最大輸出電容的收發(fā)器就是 SN65HVD1176。

　　穩(wěn)鍵性

　　穩(wěn)健性是看收發(fā)器處理電氣過應力 (EOS) 的能力大小，這種電氣過應力表現(xiàn)的具體形式有靜電放電 (ESD)、瞬態(tài)電壓和共模電壓。這些穩(wěn)健性測量方法的區(qū)別在于峰值電壓及其持續(xù)時間，而小峰值電壓和長持續(xù)時間決定著最大絕對額定值 (AMR)。靜電放電 (ESD) 額定值意味著高峰值電壓和短測試脈沖。瞬態(tài)電壓在 ESD 和 AMR 額定值之間時將會下降。

　　最大絕對額定值 (AMR)/建議工作條件 (ROC)

　　總線引腳的 AMR 是指可以使用但不至于造成損壞的低頻正弦波的最大振幅，建議的工作條件為 AMR 的子集。由于大多數(shù) PROFIBUS 收發(fā)器都是基于 RS-485 技術(shù)，因此其總線 I/O 的 ROC符合 –7V 至 +12V 的 RS-485 標準。雖然 AMR 會因廠商不同而各異，但 ROC 中規(guī)定的電壓范圍通常會有 2V 的變化。

　　共模電壓范圍和抑制

　　正如最大絕對額定值限制了建議工作條件一樣，ROC 也限制了接收機的共模電壓范圍。在那些驅(qū)動器和接收機都工作在不同接地電位的應用中，一個寬泛的共模電壓范圍是非常重要的。因為在這種情況下，接地電位差會增加總線上的共模電壓，同時， PROFIBUS 收發(fā)器必須能夠承受接收機輸入信號共模電壓的變化。

　　另一個穩(wěn)健性指標是共模抑制比 (CMR)。高 CMR（即 4 V）表明即使在振幅和上升時間方面出現(xiàn)較大共模電壓變化時，仍能確保收發(fā)器的通信性能準確無誤。

　　ESD 保護

　　ESD 事件通常是以電壓大小 (kV) 和上升時間 (ns) 來進行測量。在測試方法 A114-A 的 JEDEC 標準 22 中，對 ESD 測試進行了定義。這種特殊的標準對人體模型 (HBM) 進行了定義。

　　為了使網(wǎng)絡(luò)能夠承受這種沖擊較大的瞬態(tài)現(xiàn)象，這就要求收發(fā)器具有能夠?qū)Ω唠妷貉杆僮龀龇磻膬?nèi)部保護二極管。圖 3 顯示了 A 輸出和 B 輸出的等效示意圖，其特別標出了當電壓超過 16V 時，即開啟ESD 保護電路。另外，需要提請注意的是，圖 3 所示的 16V 和收發(fā)器的 16 kV ESD 額定值不同于器件的最大絕對額定值。

圖 3 SN65HVD1176的等效輸出示意圖

　　瞬態(tài)過壓保護

　　TIA/EIA-485 標準中對瞬態(tài)過壓進行了定義。該標準對其定義和要求規(guī)定，對于由對絞線引起的強電流中斷，線路上可能出現(xiàn)的瞬態(tài)現(xiàn)象要進行瞬態(tài)保護。該持續(xù)時間大大長于 ESD 事件（微秒對毫微秒），同時電壓電平被極大地降低（±25V 對 kV）。該規(guī)范還要求具備 ±25V 的測試電壓，而功能強大的收發(fā)器（例如：SN65HVD1176）可以承受 ±40V 的瞬態(tài)過壓。

　　到目前為止所提及的過應力條件并不能代表工業(yè)環(huán)境中器件可能會面對的所有可能過應力條件，但是所提及的這些過應力條件的確提供了一個關(guān)于器件穩(wěn)健性的定性測量方法。

　　最大絕對額定值、瞬態(tài)過壓保護以及 ESD 額定值越大，該接口也就越穩(wěn)健。

　　結(jié)論

　　PROFIBUS 專門針對工業(yè)應用而設(shè)計，因此需要穩(wěn)健的接口。穩(wěn)健性的測量標準請參閱收發(fā)器總線引腳的最大絕對額定值、瞬態(tài)過電壓保護和 ESD 額定值。和其他 PROFIBUS 收發(fā)器相比，SN65HVD1176 的穩(wěn)健性更卓越。該器件還擁有較低的總線電容（最高為 10 pf），以滿足 IEC 61158-2 中所述的更高速應用的電容要求。