工業(yè)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中運(yùn)用PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)

過程自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化或運(yùn)動(dòng)控制中的工業(yè)通信是通過現(xiàn)場總線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。現(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(dòng)器、驅(qū)動(dòng)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(jí)橫向通信的同時(shí)，還可通過數(shù)個(gè)等級(jí)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(shí)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(qǐng)參見圖 1）。

圖 1 自動(dòng)控制技術(shù)中的通信圖解

傳感器—傳動(dòng)器層級(jí)通信：二進(jìn)制傳感器和傳動(dòng)器信號(hào)通過傳感器傳動(dòng)器總線進(jìn)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(jìn)行傳輸?shù)牡统杀厩液唵我仔械募夹g(shù)。

現(xiàn)場層級(jí)通信：分布式設(shè)備（如 I/O 模塊、變送器、驅(qū)動(dòng)裝置、分析設(shè)備以及電子管或操作員終端）通過一個(gè)功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。

光電元件層級(jí)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(biāo)準(zhǔn)和辦公室應(yīng)用中的 IT 系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)——IEC 61158。該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的兼容性要視具體的應(yīng)用而定，這種設(shè)計(jì)所采用的幾個(gè)組件會(huì)對(duì)整體兼容性產(chǎn)生影響，其中的一個(gè)組件便是 RS-485 收發(fā)器。選擇一個(gè)收發(fā)器時(shí)，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(gè)關(guān)鍵特性使 PROFIBUS 有別于標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485 收發(fā)器。第一個(gè)特性是驅(qū)動(dòng)器的差動(dòng)輸出 VOD，且非常適用于 PROFIBUS DP 應(yīng)用。第二個(gè)特性是為總站電容組成部分的差動(dòng)輸出電容，從而限制了 IEC 61158-2 規(guī)定的最大信令速率。

差動(dòng)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(dòng)輸出電壓（請(qǐng)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(dòng)輸出電壓VOD （PP） 應(yīng)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(fù)載的 RS-485 總線收發(fā)器與施加相同負(fù)載的 PROFIBUS 收發(fā)器的比較

將 VOD 定義運(yùn)用于 PROFIBUS 負(fù)載

圖 2 中左邊的等效電路顯示了一個(gè) 32 單位負(fù)載的 RS－485 總線，而右邊的電路則顯示了一個(gè)相同單位負(fù)載的 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)。等效電路的變化是由 PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)的額外要求引起的，該標(biāo)準(zhǔn)要求必須在總線兩端各提供一個(gè)上拉電阻和一個(gè)下拉電阻，以在出現(xiàn)一個(gè)總線閑置時(shí)保持差動(dòng)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(gè)非對(duì)稱波形帶至接收機(jī)輸入端。這種非對(duì)稱性會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)輸出端上的占空比失真。占空比失真的程度取決于信號(hào)上升和下降次數(shù)，以及接收機(jī)的輸入閥值。由于大多數(shù) PROFIBUS 應(yīng)用均處在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中，因此非對(duì)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(dòng)器必須要克服這種偏移，以滿足 PROFIBUS DP 測試準(zhǔn)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(dòng)器規(guī)定的最小 VOD 值應(yīng)大于 RS-485 應(yīng)用中的典型值。

反射和 Vcc 變化帶來更大的 VOD

PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)定義了 A 型線纜的規(guī)格（請(qǐng)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(dòng)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(zhǔn)則規(guī)定的限制等級(jí)。

表 1 隨著 Vcc 變化而變化的 VOD

因此，為了確保標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，我們強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn) 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(shí)，所有總線節(jié)點(diǎn)的總電容不超過 600 pF，而在 12 Mbps 的信令速率時(shí)，最大允許電容為 200 pF?？偩€電容包括了總線上所有連接器、短截線和器件的差動(dòng)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(yīng)該規(guī)定最大輸出電容，以允許對(duì)最大可能信令速率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)計(jì)。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(yīng)力 （EOS） 的能力大小，這種電氣過應(yīng)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(shí)間，而小峰值電壓和長持續(xù)時(shí)間決定著最大絕對(duì)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(shí)將會(huì)下降。

最大絕對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。雖然 AMR 會(huì)因廠商不同而各異，但 ROC 中規(guī)定的電壓范圍通常會(huì)有 2V 的變化。

共模電壓范圍和抑制

正如最大絕對(duì)額定值限制了建議工作條件一樣，ROC 也限制了接收機(jī)的共模電壓范圍。在那些驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)都工作在不同接地電位的應(yīng)用中，一個(gè)寬泛的共模電壓范圍是非常重要的。因?yàn)樵谶@種情況下，接地電位差會(huì)增加總線上的共模電壓，同時(shí)， PROFIBUS 收發(fā)器必須能夠承受接收機(jī)輸入信號(hào)共模電壓的變化。

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

ESD 保護(hù)

ESD 事件通常是以電壓大小 （kV） 和上升時(shí)間 （ns） 來進(jìn)行測量。在測試方法 A114-A 的 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) 22 中，對(duì) ESD 測試進(jìn)行了定義。這種特殊的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人體模型 （HBM） 進(jìn)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?yīng)的內(nèi)部保護(hù)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(biāo)出了當(dāng)電壓超過 16V 時(shí)，即開啟ESD 保護(hù)電路。另外，需要提請(qǐng)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(duì)額定值。

圖 3 SN65HVD1176的等效輸出示意圖

瞬態(tài)過壓保護(hù)

TIA/EIA-485 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)瞬態(tài)過壓進(jìn)行了定義。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其定義和要求規(guī)定，對(duì)于由對(duì)絞線引起的強(qiáng)電流中斷，線路上可能出現(xiàn)的瞬態(tài)現(xiàn)象要進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)。該持續(xù)時(shí)間大大長于 ESD 事件（微秒對(duì)毫微秒），同時(shí)電壓電平被極大地降低（±25V 對(duì) kV）。該規(guī)范還要求具備 ±25V 的測試電壓，而功能強(qiáng)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(yīng)力條件并不能代表工業(yè)環(huán)境中器件可能會(huì)面對(duì)的所有可能過應(yīng)力條件，但是所提及的這些過應(yīng)力條件的確提供了一個(gè)關(guān)于器件穩(wěn)健性的定性測量方法。

最大絕對(duì)額定值、瞬態(tài)過壓保護(hù)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(duì)工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，因此需要穩(wěn)健的接口。穩(wěn)健性的測量標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)參閱收發(fā)器總線引腳的最大絕對(duì)額定值、瞬態(tài)過電壓保護(hù)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(yīng)用的電容要求。