RS-485/RS-422收发器在现场总线网络中的应用

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RS-485/RS-422收发器在现场总线网络中的应用 [复制链接]

西门子自动化之光专列全国巡展专题
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
有的设备连接到中央控制器上。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最后一段距离。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Intel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，它们具有最大的市场份额和最快的
增长速度。关于现场总线标准的其它信息，请参见http://www.fieldbusworld.com。

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，其最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
间允许的最大总线距离为400米，总线全长限制至13千米。每个从机通过两个全双工RS-4
22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。

　　最多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授权测试实验室的认证。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国际组织。

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475m
A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。M
axim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的最高数据速率，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，铜缆的最长总线距离为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
得到授权测试实验室的认证(参见http://www.profibus.com。

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75ALS176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75ALS176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，完全遵从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
内最多连接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。MAX
3463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-4
22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-48
5/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(ES
D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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学习了一下。谢谢分享。