使用現場總線更快更遠

Going faster and further with Fieldbus

PROCENTEC等行業專家表示，基于RS-485的現場總線技術（PROFIBUS?）和工業以太網（PROFINET）的快速增長正穩步增長。2018年，全球安裝了6100萬個PROFIBUS現場總線節點，其中PROFIBUS過程自動化（PA）同比增長7%。PROFINET的安裝基數為2600萬個節點，僅2018年就安裝了510萬臺設備。

隨著RS-485現場總線應用的穩步增長和工業4.0加速了智能連接工廠的部署，確保現場總線技術得到優化有助于實現智能系統。優化的現場總線技術必須仔細平衡EMC的健壯性和可靠的數據傳輸。

不可靠的數據傳輸將降低整個系統的性能。在運動控制應用中，現場總線通常用于單軸或多軸電機的閉環位置控制。高數據速率和長電纜很常見，如圖1所示。在實際情況下，如果生產能力下降，則意味著機器性能下降。在無線基礎設施應用中，現場總線通常用于天線的傾斜/位置控制，而精確的數據傳輸至關重要。在運動控制和無線基礎設施應用程序中，需要不同級別的EMC保護，如圖1所示。運動控制應用程序通常在電噪聲環境中工作，這可能會導致數據錯誤。相比之下，無線基礎設施必須受到保護，以防在暴露環境中遭受破壞性的間接雷擊。

對于這些要求苛刻的應用，需要仔細檢查RS-485收發器在電纜上的定時性能，以確保系統可靠，以及EMC特性。本文介紹了一些關鍵的系統定時和通信電纜概念；提供了關鍵性能指標，包括時鐘和數據分布以及電纜驅動能力；并展示了使用下一代RS-485收發器的工業應用的好處。

定時性能

當考慮在長電纜長度上以高數據速率進行可靠的數據傳輸時，定時性能概念，例如與低壓差分信號（LVDS）相關的抖動和偏移-對于RS-485變得非常重要。RS-485收發器和系統電纜增加的抖動和傾斜都需要檢查。

Figure 1. EMC, data rate, and cable length for RS-485.

抖動和傾斜Jitter and Skew

抖動可以量化為時間間隔誤差，特別是信號轉換的預期到達時間與實際到達時間之間的差異。在通信鏈路中，抖動有各種各樣的因素。在本質上，每個貢獻者都可以被廣泛地描述為隨機的或確定性的。隨機抖動可以從它的高斯分布中識別出來，它來源于半導體內部的熱噪聲和寬帶散粒噪聲。確定性抖動是由通信系統內的信號源引起的，例如占空比失真、串擾、周期性外部噪聲源或碼間干擾。在使用RS-485標準的通信系統中，數據速率低于100mhz，在這種情況下，這些確定性的抖動效應支配著隨機效應。

峰值到峰值抖動值是由確定性源引起的系統總抖動的一個有用的度量。通過在同一顯示器上疊加大量的信號躍遷（通常稱為眼圖），可以在時域中檢查峰間抖動。這可以在使用無限持久性的示波器顯示器上實現，也可以使用示波器的內置抖動分解軟件來實現，如圖2所示。

Figure 2. Time interval error, jitter, and eye.

疊加過渡的寬度是峰間抖動，中間的開放區域稱為眼睛。此孔是長RS-485電纜遠端的接收節點可進行采樣的區域。較大的眼睛寬度為接收節點提供了更寬的采樣窗口，并降低了錯誤接收的風險。可用眼主要受來自RS-485驅動器和接收器以及互連電纜的確定性抖動影響。

Figure 3. Key contributors to jitter in RS-485 communication networks.

圖3顯示了通信網絡中的各種抖動源。在基于RS-485的通信系統中，影響定時性能的兩個關鍵因素是收發器脈沖偏斜和碼間干擾。脈沖偏移，也稱為脈沖寬度失真或占空比失真，是由收發器在發送和接收節點處引入的一種確定性抖動。脈沖偏移定義為信號上升沿和下降沿之間的傳播延遲差。在差分通信中，這種偏差產生了一個非對稱的交叉點，并且在傳輸的0和1的持續時間之間產生了不匹配。在時鐘分配系統中，過度的脈沖偏移表現為傳輸時鐘的占空比失真。在數據分發系統中，這種不對稱性增加了在眼圖中觀察到的峰間抖動。在這兩種情況下，過多的脈沖偏斜會對通過RS-485傳輸的信號產生負面影響，并降低可用的采樣窗口和整個系統性能。

當信號邊緣的到達時間受到經過該邊緣的數據模式的影響時，就會發生符號間干擾（ISI）。碼間干擾效應在使用較長電纜互連的應用中變得突出，這使得ISI成為RS-485網絡中的一個關鍵因素。較長的互連產生一個RC時間常數，其中電纜電容在一個位周期結束時尚未完全充電。在傳輸數據僅由時鐘組成的應用中，不存在這種碼間干擾。碼間干擾也可由電纜傳輸線上的阻抗失配、線頭或終端電阻的不當使用引起。具有高輸出驅動強度的RS-485收發器通常有助于最小化ISI效應，因為它們需要較少的時間來為RS-485電纜的負載電容充電。

可容忍的峰間抖動百分比高度依賴于應用，通常使用10%的抖動來衡量RS-485收發器和電纜性能的組合。抖動增加了485收發信機接收誤差的可能性。在端接正確的傳輸網絡中，選擇一個經過優化以最小化收發器脈沖偏斜和碼間干擾影響的收發器，可以獲得更可靠、無差錯的通信鏈路。

RS-485收發器設計與電纜效應

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485標準3規定了RS-485發射機和接收機的設計和工作范圍，包括電壓輸出差分（VOD）、短路特性、共模負載和輸入電壓閾值和范圍。TIA-485-A/EIA-485-A標準未規定RS-485定時性能，包括偏差和抖動，而是由IC供應商根據產品數據表規范進行優化。

其他標準，如TIA-568-B.2/EIA-568-B.2、雙絞線電纜通信標準4，為電纜交流和直流對RS-485信號質量的影響提供了背景。本標準提供了抖動、偏斜和其他定時測量的注意事項和測試程序，并設置了性能限制；例如，5e類電纜的最大允許偏差為每100米45納秒。有關TIA-568-B.2/EIA-568-B.2標準和使用非理想的后果的更多信息，請閱讀增強的RS-485性能系統性能布線。

雖然可用的標準和產品數據表提供了一個很好的有用的信息來源，任何有意義的系統定時性能的表征都需要測量一根長電纜上的RS-485收發器。

Figure 4. ADM3065E typical clock jitter performance.

與RS-485通信更快更遠

下一代RS-475收發器提供了增強的性能，以滿足使用TIA-485-A/EIA-485-A等標準的應用程序的需要，這些標準沒有定義傾斜和抖動。例如，來自模擬設備的RS0485收發器（如ADM3065E）提供超低的發射機和接收機傾斜性能。這使得系統能夠支持精確時鐘的傳輸，這通常是電機編碼標準中的特征，例如圖4和圖5所示的EnDat 2.2.5，系統已經被證明在電機控制應用中遇到的典型電纜長度上的確定性抖動小于5%。收發器的寬電源范圍意味著這種定時性能水平可用于需要3.3V或5V收發器電源的應用。

Figure 5. ADM3065E receiving eye diagram: 25 MHz clock distributed across 100 m cable.

除了優越的時鐘分布，增強的定時性能還可以實現可靠的數據分布，高速輸出和最小的附加抖動。圖6顯示，通過使用增強型收發器，RS-485數據通信通常引用的定時限制可以大大放寬。標準的RS-485收發器通常用于10%或更少抖動的操作。ADM3065E可以在最長100米的電纜上以大于20 Mbps的速度工作，并且在接收節點處仍然只保持10%的抖動。這種低水平的抖動降低了接收數據節點錯誤采樣的風險，并導致以前使用典型的RS-485收發器無法實現傳輸的可靠性。在接收節點可以容忍高達20%的抖動水平的應用中，可以在100米的電纜線路上實現高達35 Mbps的數據速率。

Figure 6. ADM3065E receiving data node superior jitter performance.

對于使用EnDat 2.2編碼器協議傳輸的每個數據包，數據與下降的時鐘邊緣同步傳輸。圖7說明了在初始計算絕對位置（TCAL）之后，起始位開始從編碼器向主控制器傳輸數據。隨后的錯誤位（F1，F2）指示編碼器的故障何時會導致不正確的位置值。編碼器然后傳輸一個絕對位置值，從LS開始，數據如下。時鐘和數據信號的完整性對于在長電纜線路上成功發送定位和錯誤信號至關重要，EnDat 2.2規定了最大10%的抖動。EnDat 2.2規定了在20米電纜上以16兆赫時鐘速率進行的最大操作。圖4顯示，只有5%的時鐘抖動可以滿足這些要求，圖6顯示數據傳輸的抖動要求得到滿足，而標準的RS-485收發器則不滿足。這一點很重要，因為與電纜相比，優越的定時性能可確保系統設計者擁有必要的信息，使設計能夠成功地滿足EnDat 2.2規范的要求。

Figure 7. EnDat 2.2 physical layer and protocol with clock/data synchronization (adapted diagrams from EnDat 2.2).

長電纜更可靠

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485標準3要求兼容的RS-485驅動器在滿載網絡中產生至少1.5
V的差分電壓幅值VOD。這種1.5VOD允許在長電纜長度上產生1.3V的電壓直流衰減，RS-485接收器規定在至少200 mV輸入差分電壓下工作。如果收發器設計為在5 V供電時輸出至少2.1 V的VOD，則設計者可以超過RS-485規范要求。

一個滿載的RS-485網絡相當于一個54Ω的差分負載，它模擬了一個由兩個120Ω電阻器組成的雙端總線，另一個750Ω代表一個單位負載的32個連接設備，即12kΩ。ADM3065E采用專有的輸出架構，在滿足所需共模電壓范圍的同時，最大限度地提高VOD，超過了TIA-485-a/EIA-485-a的要求。圖8說明了當從3.3V電源軌供電時，收發器如何超過RS-485標準的驅動器要求，或超過300%從一個5伏的電源軌。這使得系統能夠比常規的RS-485收發器更進一步地與更多的遠程節點和更大的噪聲裕度進行通信。

Figure 8. The ADM3065E exceeding the RS-485 drives requirements across a wide supply range.

圖9進一步說明了1000米以上電纜的典型應用中的這一點。當通過標準AWG 24電纜進行通信時，增強型收發器比標準RS-485收發器好30%，在接收節點的噪聲裕度大30%，或者在低數據速率下最大電纜長度增加30%。這種性能非常適合無線基礎設施應用，其中RS-485電纜的長度超過幾百米。

Figure 9. ADM3065E delivers a superior differential signal for ultralong distances.

電磁兼容保護和抗擾度

RS-485信號是平衡的，差分的，固有的噪聲免疫。系統噪聲平均耦合到RS-485雙絞線電纜中的每條導線上。雙絞線布線導致感應噪聲電流反向流動，耦合到RS-485總線上的電磁場相互抵消。這降低了系統的電磁敏感性。此外，更大的驅動強度使得通信中的信噪比（SNR）更高。超長的電纜線路，如地面和無線基站天線之間數百米的距離，具有增強的信噪比，以及出色的信號完整性，確保了天線精確可靠的傾斜/位置控制。

Figure 10. Wireless infrastructure cable lengths can extend over hundreds of meters.

如圖1所示，通過相鄰的連接器和電纜直接與外界連接的RS-485收發器需要EMC保護。例如，RS-485驅動系統上的ESD-485連接線暴露在電機上。與可調速電力驅動系統的EMC抗擾度要求相關的系統級IEC 61800-3標準要求最小±4 kV接觸/±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護。增強型收發器（如ADM3065E）通過±12 kV接觸/±12 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護超過了這一要求。

Figure 11. Complete 25 Mbps signal and power isolated RS-485 solution with ESD, EFT, and surge protection.

對于無線基礎設施應用程序，需要增強的EMC保護來防止破壞性的雷電浪涌事件。在收發器輸入端增加一個SM712電視和兩個10Ω協調電阻器，可提供增強的EMC保護，最高可達到±30 kV 61000-4-2 ESD保護和±1 kV IEC 61000-4-5浪涌保護。

為了提高電刺激電機控制、過程自動化和無線基礎設施應用的抗擾度，可以添加電流隔離。可使用模擬設備的iCoupler?和isoPower?技術，在ADM3065E中加入增強絕緣和5 kV rms瞬態耐受電壓的電流隔離。ADuM231D提供所需的三個5 kV rms信號隔離通道，具有精確的定時性能，可在高達25 Mbps的速率下穩健運行。ADuM6028隔離dc-dc轉換器提供所需的隔離電源，其耐受額定值為5 kV rms。兩個鐵氧體磁珠可輕松滿足EMC合規性標準，如EN 55022 Class B/CISPR 22，從而形成一個6 mm×7.5 mm形狀因數的緊湊型隔離dc-dc解決方案。
下一代RS-485收發器的性能優于行業標準，與標準RS-485設備相比，可以實現更遠更快的通信。在EnDat 2.25中規定的10%抖動水平下，系統可以在最大20米的布線上以16兆赫的時鐘速率運行，而標準RS-485則難以滿足這一要求。超過RS-485總線驅動要求高達300%，提供了更好的可靠性和更長的電纜噪聲裕度。通過增加I耦合器隔離，包括ADuM231D信號隔離器和業界最小的外形因數隔離電源解決方案ADuM6028，可以提高抗噪性。

總結

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