采用PROFIBUS標準的工業聯網技術

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

　　在過去的十年里，PROFIBUS 成為了全球現場總線技術市場的領頭羊，其在提供現場級橫向通信的同時，還可通過數個等級分層提供縱向通信。分層和協調配合工作的工業通信系統[例如：同時具有低層面 AS 接口連接和高層面以太網連接（通過 PROFInet）的PROFIBUS]可為生產過程各環節中的清晰聯網提供理想的先決條件（請參見圖 1）。

　　
圖 1 自動控制技術中的通信圖解

　　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，從而提供了一種數據和電量能通過一種共享的媒介進行傳輸的低成本且簡單易行的技術。

　　現場層級通信：分布式設備（如 I/O 模塊、變送器、驅動裝置、分析設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和自動控制系統進行通信。

　　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、TCP/IP、企業內部互聯網以及互聯網等標準和辦公室應用中的 IT 系統進行通信。

　　PROFIBUS 和其他現場總線系統已于 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，其中 RS-485 就是 PROFIBUS 中一種最為常用的技術。

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

　　PROFIBUS 收發器的選擇

　　兩個關鍵特性使 PROFIBUS 有別于標準的 RS-485 收發器。第一個特性是驅動器的差動輸出 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 主從通信協議測試規范要求，峰至峰差動輸出電壓VOD (PP) 應該介于 4V～7V 之間。大多數產品說明書都沒有規定峰至峰值，而是規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 總線收發器與施加相同負載的 PROFIBUS 收發器的比較

　　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 網絡。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，以及接收機的輸入閥值。由于大多數 PROFIBUS 應用均處在嘈雜的工業環境中，因此非對稱性還意味著一種邏輯狀態的噪聲容限比另一種特別關注的邏輯狀態的噪聲容限低。最終，驅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 驅動器規定的最小 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?？偩€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 收發器的產品說明書應該規定最大輸出電容，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器就是 SN65HVD1176。

　　穩鍵性

　　穩健性是看收發器處理電氣過應力 (EOS) 的能力大小，這種電氣過應力表現的具體形式有靜電放電 (ESD)、瞬態電壓和共模電壓。這些穩健性測量方法的區別在于峰值電壓及其持續時間，而小峰值電壓和長持續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 PROFIBUS 收發器都是基于 RS-485 技術，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較大共模電壓變化時，仍能確保收發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。

　　為了使網絡能夠承受這種沖擊較大的瞬態現象，這就要求收發器具有能夠對高電壓迅速做出反應的內部保護二極管。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

　　瞬態過壓保護

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

　　到目前為止所提及的過應力條件并不能代表工業環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于器件穩健性的定性測量方法。

　　最大絕對額定值、瞬態過壓保護以及 ESD 額定值越大，該接口也就越穩健。

　　結論

　　PROFIBUS 專門針對工業應用而設計，因此需要穩健的接口。穩健性的測量標準請參閱收發器總線引腳的最大絕對額定值、瞬態過電壓保護和 ESD 額定值。和其他 PROFIBUS 收發器相比，SN65HVD1176 的穩健性更卓越。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。