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RS-485/RS-422收发器在现场总线网络中的应用

2006年11月23日 09:38来源:烟台勾股通信技术有限公司 >>进入该公司展台人气:1978

    由于RS-485收发器提供了一种简单的接口方式,实现工业网络中的物理层连接,所以有几种现场总线标准规定了RS-485串行口作为通信接口(随同其它要求)。本文介绍多种现场总线技术,并且重点描述RS-485收发器所具备的一些突出性能。

  大量的数字系统被应用于工厂,用来测量、汇集、传输和显示数据信息。温度和压力等参数被测量、显示并且反馈至过程控制系统,同时控制对应的阀门。为了将控制器单元与传感器和执行机构连接起来,许多过程和制造行业仍然采用现场多路复用器或多线连接方式(基于4-20mA或0-10V电路)。由于在这些老系统中所要求的连线太多,因此,现代工厂通过采用适合于过程和制造控制的串行、实时、数字连接的工业网络,大大减少了布线工作。

  现场总线与广泛使用的Ethernet办公网络相似,即在同一个网络上,一条总线将所有的设备连接到*控制器上。这样安排不仅节省了导线,也增加了系统的模块性。所有设备通过软件来寻址,以便设备连接到网络上的任何插口。主机检测哪个设备连接到网络,并执行所要求的初始化过程,以启动网络通信。

  现场总线能够提供优于Ethernet的一些优点,它可以解释为什么Ethernet还没有运行在PLC/工业PC和现场传感器/执行机构之间连接的zui后一段距离。现场总线的一个优点起到了决定性的作用,即信号要求被实时接收,且接收者需要立即提供一个认可信号。例如,报警信号所要求的决定性因数是必须被实时传输。

  现场总线也更为牢靠,工业网络经常要求使用密封的连接器,工作在-40℃~+85℃的整个工业温度范围内(大多数Ethernet控制器仅允许工作在0℃~70℃的温度范围)。当然,还是有可能创建一个工业Ethernet系统,包括:实时性的协议软件、坚固的连接器以及工业温度范围的控制IC等,但是,这样的网络将更加昂贵。它们还会带来其它费用,如补偿高速协议开销,其要求的通信数据速率高于常规的现场总线。


  在工业网络中,许多现场总线标准规定了将RS-485或RS-422收发器作为其物理层连接。RS-485收发器价格不高,且提供多种有用的特性,包括支持多种传输速率。下面所列的几种主要的现场总线标准,要么只通过RS-485传输,要么在多种接口方式中包含RS-485方式:
● 互连资源计算机网络(ARCNET):提供高达10Mbps的数据速率。由SMC/Datapoint公司(美国)创始于1977年,起初应用于办公网络,现在也应用于工厂。其主要特点是非常灵活。
● 位总线(Bitbus):速率高达375kbps;由In创始于1984年。主要应用于制造业,为可编程控制器(PLC)和主控制器之间提供数据通信。
● 欧洲安装总线(EIB):速率可达9600bps;创始于1989年(德国),应用于楼宇自动化。
● 流量信息过程总线(WorldFip):速率高达2.5Mbps(典型速率1Mbps);创始于1984年(法国),主要应用于法国和意大利的工业过程自动化。
● 局部操作网络(LON):速率高达1.25Mbps;由Echelon公司(美国)创始于1990年。主要应用于楼宇自动化。
● 分散设备的过程现场总线(PROFIBUS DP):速率高达12Mbps;由PNO公司(德国)创始于1993年。主要应用于生产自动化。
● 互连总线(INTERBUS):速率高达2Mbps(典型速率500kbps);由Phoenix Contact公司(德国)创始于1987年。主要应用于生产自动化。
  其它标准(如CAN)具有不同的物理接口,在此,我们仅讨论基于RS-485的PROFIBUS DP和Interbus两种现场总线。在工业RS-485网络中,它们具有zui大的*和zui快的增长速度。关于现场总线标准的其它信息。

INTERBUS
  INTERBUS网络采用环形结构,具有极低的协议开销和500kbps的标准数据速率,允许快速的数据传输。在2001年,其zui高数据速率被提升到2Mbps,该速率将成为未来高速系统的标准速率。

  INTERBUS的中枢是远程总线,由控制数据通信的总线主机指挥。每个远程总线设备(从机)通过图1所示的全双工、RS-422点到点连接,接口至下一个设备。任何两个从机之间允许的zui大总线距离为400米,总线全长限制至13千米。每个从机通过两个全双工RS-422收发器连接到总线,每个从机端安装一个。这种连接提供了中继器功能,确保整个网络具有较好的传输质量。

  zui多512个从机可以接到一个主机,每个从机采用自供电方式。从机还可以具备总线耦合器的功能,连接多达8个设备的局部总线。局部总线总长度限制为10米、任何两个设备之间为1.5米。局部总线通信使用多对2芯电缆,采用全双工CMOS电平信号,而非标准的RS-422信号。
  INTERBUS标准要求网络上的元件必须通过某个*测试实验室的认证。任何一个PCB设计师可以向当地的INTERBUS协会申请这样的认证,该协会旨在推广INTERBUS应用,它代表了一个由许多公司组成的组织。

RS-422收发器特性
  在INTERBUS远程总线中,全双工RS-485收发器(通常称为RS-422收发器)必须支持至少500kbps的数据速率。下一代产品要求超过2Mbps的速率。当前应用通常采用兼容75179的驱动器,而不考虑它们的静态电源电流。即使是所谓低功耗的75LBC179,其典型的静态电流还需要4.2mA。而10Mbps的MAX3087E是一款低功耗的替换产品,空载时仅消耗475mA的电源电流,从而相应地降低了满载时的电源电流。

  在要求尽可能地降低功耗时,电源电流显得尤其重要。安装的现场总线设备可能非常小,导致难以提供足够的散热器。而且,许多应用要求电气隔离总线,因此不得不将电源跨过隔离栅,分配给RS-485收发器。

  MAX3087E还提供±15kV的ESD保护。技术人员可能毁坏某些昂贵而又没有ESD保护的设备,仅仅通过直接接触;静电释放还可能发生在安装现场总线的电缆过程中的接触。Maxim器件所包括的ESD结构保护多个接口电路的发送器输出和接收器输入免遭ESD破坏。在生产过程中,根据人体模型(IEC标准1000-4-2),以200V增量幅度,在IC的正/负电源端进行ESD测试。这样,与其它竞争产品(也许能够承受15kV冲击,但可能失效于6kV)不同,Maxim器件还保证免遭较低的ESD冲击破坏。

PROFIBUS DP
  PROFIBUS DP配置为线结构,允许用户在总线工作时增加或拆出设备(图2)。大多数应用运行于12Mbps的zui高数据速率,但1.5Mbps速率也比较普遍,而且定义的速率可低至9600bps。在12Mbps的速率下,铜缆的zui长总线距离为100m,但是,在低速率下,使用中继器能够将总线总长度延伸至9.6km。

  PROFIBUS DP采用半双工RS-485收发器连接到总线,通过一对屏蔽双绞电缆传输数据。PROFIBUS还允许使用塑料光纤,实现光连接。其它家族成员包括:RPOFIBUS FMS(一种应用于过程管理级的旧版本,目前大多数被Ethernet取代)以及PROFIBUS PA(一种应用于过程控制的本安类型)。

  PROFIBUS DP允许在每个总线段内连接多达32个节点,包括主机、从机以及任何中继器。你可以增加多达5个总线段,每段通过一个中继器隔离。总线大小可以通过这种方式,扩展至总数126个节点。由于多种诊断功能被加入到实际信息中,以确保安全的数据传输,所以PROFIBUS具有较高的协议开销。

  通信由一个或多个I类主机控制。系统还包括II类主机,构成人机接口,用来编程设备或操作总线上的系统。从机可以是一个传感器,一个执行机构(如电磁阀),或者一个分散的数字或模拟的输入/输出。PROFIBUS标准要求所有连接至PROFIBUS的终端设备必须得到*测试实验室的认证。

RS-485/RS-422收发器特性

  PROFIBUS DP网络中的半双工RS-485必须具备处理≥12Mbps的数据速率的能力。为了保证在极坏负载条件下的有效接收器输入电压,差分驱动器输出必须能够在满载(27Ω)下达到≥2.1V的电压幅度。同时,为了尽可能地减小信号失真,驱动器和接收器输出应该具备≤2ns的波形失真。许多应用要求特别挑选的7LS176收发器,来达到这样的性能等级。一种新系列的20Mbps、半双工RS-485收发器(MAX3463-MAX3464)在满足PROFIBUS DP要求的同时,提供几个额外的优点:

● 数据速率可达20Mbps;
● 相对极低的电源电流(≤4mA,与7LS176的≤30mA相比)。收发器较低的电源电流节省了成本和板面,这是因为PROFIBUS DP接口在多数情况下是电气隔离的。
● 所有输入/输出引脚上的ESD保护使IC免遭2kV的ESD冲击破坏。
● 真正的安全故障能力

  对于-200mV至+200mV的输入信号范围,RS-485接收器没有明确的输出。对于RS-485端0V的条件下,在接收器TTL端出现逻辑“高”和逻辑“低”的可能性一样。如果主机没有传输数据,或接线松动时,在半双工线上就会出现这种不确定状态。在每个总线的末端加入一个终端网络(图3),能够保证那些不具备安全故障模式的PROFIBUS RS-485收发器输出确定的状态。

  应用于MAX3463/MAX3464器件中的Maxim真正的安全故障特性,通过构建一个精密的接收器门限范围,避免采用外部偏置电阻,而且保证接收器在0输入下产生逻辑“高”输出的同时,*遵从RS-485规范。在差分线之间保留终端匹配电阻,在去掉330Ω的上拉和下拉电阻后,将节省更多的功耗。

  标准RS-485驱动器具备驱动32个单位负载的能力,确定了在一个PROFIBUS DP总线段内zui多连接32个节点。一个单位负载定义为12kΩ,对应于标准RS-485接收器的输入阻抗。MAX3463/MAX3464接收器的较高输入阻抗(48 kΩ,1/4个单位负载)允许总线上连接128个收发器。RS-485收发器可随意组合,能够连接至同一个总线段,但要保证这些电路的实际并联阻抗高于375 Ω(32个单位负载)。

  显然地,PROFIBUS DP数量能够增加至每段128个节点,5段内总数为640个节点。MAX3463还包括另外一个有用的特性,即支持“热插拔”特性。当总线节点处于上电过程或插入正在工作的背板时,则存在一个较短间隔,即处理器或控制ASIC执行上电序列的时间。在此期间,处理器的输出驱动器处于高阻态,以致不能够驱动RS-485收发器的控制线(/RE、DE、DI)至确定的逻辑电平。

  来自高阻驱动器的漏电流(多达10μA)能够引起RS-485电路控制线向高或低漂移。另外,板上的寄生电容能够将控制信号耦合到GND或VCC。这些因数引起控制线漂向某个电平,可能打开电路的发送器(A和B)。为了避免这种情况发生,MAX3463包括“可热插拔”的输入端,在VCC上升过程中,禁止MAX3463的控制线。“热插拔”输入克服了漏电流和寄生电容可能引起控制线变为使能状态。全双工型号(MAX3460-MAX3462)提供给高速RS-422应用。

  由于现场总线系统包括大量的RS-485或RS-422驱动器,所以供给驱动器的功率成为系统成本的一个重要部分。在要求电源跨过隔离栅供电时,尤其正确。因为早期的RS-485/RS-422驱动器需要大量的电源电流(多达30mA的静态电流,外加负载电流),所以在系统中采用现代的CMOS驱动器,将大大节省成本。新型CMOS驱动器提供多种附加的优点(ESD保护、安全故障能力和降低的单位负载),极大地提高了系统的可靠性和性价比。

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