在RS485網(wǎng)絡(luò)中使用隔離帶來的性能好處

從工業(yè)控制系統(tǒng)到路邊的交通信息通告板，RS485網(wǎng)絡(luò)是各類應(yīng)用進(jìn)行通信的基礎(chǔ)。在高壓環(huán)境中，從人身安全和設(shè)備保護(hù)的角度出發(fā)，常常在通信總線到邏輯控制器之間進(jìn)行電氣隔離。

隔離對系統(tǒng)性能的正面影響遠(yuǎn)非保護(hù)其免受危險(xiǎn)電壓那么簡單，但這點(diǎn)卻總是被人們忽略，事實(shí)上，隔離可以使通信在嚴(yán)重地?cái)_動(dòng)和其它系統(tǒng)級噪聲存在的情況下不間斷、無差錯(cuò)。

目前市場上有不同廠商提供的隔離式RS485收發(fā)器。這些解決方案大多數(shù)提供數(shù)據(jù)隔離，不提供驅(qū)動(dòng)總線接口所需的隔離電源。用戶只好自己設(shè)計(jì)解決方案，但這需要笨重、昂貴的分立組件以形成隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器。總體尺寸、成本、功耗或復(fù)雜性可能使設(shè)計(jì)師不敢在系統(tǒng)中使用隔離，而系統(tǒng)卻可能從隔離中真正受益。

凌力爾特公司新的隔離器微型模塊(Module)技術(shù)采用小型11.25mm x 15mm x 2.8mm表面貼裝，提供一個(gè)完整的電源和數(shù)據(jù)隔離解決方案(圖1)。LTM2881包含一個(gè)可靠的隔離式RS485收發(fā)器和一個(gè)隔離式DC-DC 轉(zhuǎn)換器，能為總線接口電路和輔助電路提供高達(dá)1W的功率。這個(gè)微型模塊收發(fā)器不需要外部組件，甚至去耦電容器和一個(gè)可電通斷的網(wǎng)絡(luò)終止電阻器也是內(nèi)置的。對于為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的RS485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)隔離來說，易于使用和小的占位面積使LTM2881比以往任何時(shí)候都更有吸引力。

圖 1: 凌力爾特公司新的隔離器微型模塊LTM2881。

本文將討論在RS485網(wǎng)絡(luò)中使用隔離帶來的性能好處，指出可能受益于隔離的網(wǎng)絡(luò)特性，解釋為了最大化隔離系統(tǒng)的性能，如何在各種配線配置中進(jìn)行權(quán)衡。

地與共模電壓干擾

開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化RS485，是為了在地電位差高達(dá)±7V的收發(fā)器之間實(shí)現(xiàn)通信。相對于任意節(jié)點(diǎn)的局部“地”，總線上的信號允許承擔(dān)-7V至+12V的電壓。這些地電位差由各種情況引起，包括大地地電位變化，或受負(fù)載影響的其它電路所共用的接地回路壓降。

在有些情況下，沒有直接聯(lián)系的瞬態(tài)事件可能導(dǎo)致遠(yuǎn)超過±7V的地電位改變。這些情況有可能在接收數(shù)據(jù)中引入差錯(cuò)，或者更糟，去損壞收發(fā)器及有關(guān)的系統(tǒng)電路。恰當(dāng)使用一個(gè)諸如凌力爾特LTM2881的隔離式收發(fā)器，可擴(kuò)大所允許的共模電壓范圍(差分信號線路相對于地的平均電壓)，并保護(hù)電路免受560V連續(xù)高壓或持續(xù)60秒的3750VDC引起的損壞。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路在建筑物之間經(jīng)過時(shí)，間接的閃電沖擊是常見的引起嚴(yán)重電壓干擾的原因。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)常常用來吸收非常高的瞬態(tài)電壓，同時(shí)用隔離提供附加的保護(hù)。沒有隔離，單次電壓浪涌可能損壞一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備。

多次重復(fù)的地和信號干擾，可能源自對鄰近RS485總線配線的60Hz AC電源線的耦合，或者60Hz電流可能傳導(dǎo)到共用地或電源線中。計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、熒光燈、變速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器和其他的電子非線性負(fù)載也會(huì)將顯著的頻率諧波引入功率分配中線、接地線和通信網(wǎng)絡(luò)線。正如下面的內(nèi)容將顯示的那樣，這些干擾可能在 RS485網(wǎng)絡(luò)中引起真實(shí)的數(shù)據(jù)差錯(cuò)，而隔離可以減輕這個(gè)問題。

發(fā)送數(shù)據(jù)不被接受

面向非隔離和隔離網(wǎng)絡(luò)的RS485配線配置如圖2所示。為了方便起見，該圖顯示了點(diǎn)到點(diǎn)單向通信，但是其中的理念也適用于多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。圖2a顯示了一個(gè)用低成本5e類(Cat 5e)電纜實(shí)現(xiàn)的非隔離、無屏蔽雙絞線連接。圖3顯示，在驅(qū)動(dòng)100英尺電纜并在驅(qū)動(dòng)器和接收器之間引入一個(gè)地電位差時(shí)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)點(diǎn)捕捉的示波器波形。波形的顏色對應(yīng)于圖2中探頭位置的顏色。接收器輸出端的所有信號都相對于大地的地電位測量。

圖 2：RS485 配線配置

通道3(綠色)顯示在DI引腳進(jìn)入發(fā)送驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)信號，而通道4(紅色)是來自遠(yuǎn)端收發(fā)器RO引腳的數(shù)據(jù)輸出，這個(gè)輸出應(yīng)該跟隨該數(shù)據(jù)輸入，只是有傳輸延遲。

圖3上部的黃色波形是在具有7V幅度(14VPP)的地電位之間引入的正弦波電壓信號。通道2(藍(lán)色)顯示穿過 100英尺電纜后在接收器負(fù)輸入端的“B”信號。疊加在大共模電壓信號上的“B”端數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與這個(gè)大共模電壓信號相比，幾乎察覺不到。

圖3顯示出了很明顯的差錯(cuò)。有兩種因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，這兩種因素都與RS485接收器的有限共模抑制能力有關(guān)。首先，共模信號的高頻分量(這里大約為1.2MHz)超過了大多數(shù)RS485接收器共模抑制的有效帶寬；其次，提供給接收器的共模信號的幅度遠(yuǎn)超過允許的-7V至+12V范圍。在這種情況下，在100英尺導(dǎo)線末端的信號幅度將達(dá)到±20V的峰值，盡管在近端引入激勵(lì)的電壓峰值僅為±7V。這種幅度峰值在網(wǎng)絡(luò)配線的諧振頻率上被最大限度地提高了。請注意，這不涉及總線的差分特性，就像是一條傳輸線，但這是與共模阻抗有關(guān)的一種特性。諧振頻率是電纜長度、電纜配置(例如是繞成線圈的，還是直的)和所連接節(jié)點(diǎn)復(fù)阻抗的函數(shù)。有趣的是，由于頻率分量和幅度峰值，一個(gè)±7V的共模信號就能夠破壞RS485信號傳輸。

用LTM2881隔離式RS485收發(fā)器(圖2c)取代該RS485收發(fā)器，可以解決數(shù)據(jù)損壞問題，如圖4所示。在這種配置中，加到接收器輸入端的共模信號幾乎全部落在隔離勢壘上。與接收器隔離的地隨著接收器輸入的共模電壓變化，簡單的附著其上。結(jié)果，接收器不把這看作是一種共模變化，并繼續(xù)可靠地檢測差分?jǐn)?shù)據(jù)。

請注意，在圖4中，共模頻率已經(jīng)升高到2MHz，這導(dǎo)致在電纜末端進(jìn)入接收器(藍(lán)色波形)的信號幅度顯著提高到40VPP。這個(gè)共模電壓幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出RS485標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能規(guī)格，會(huì)給大多數(shù)非隔離式RS485收發(fā)器帶來考驗(yàn)。通過改善配線，LTM2881隔離式收發(fā)器甚至可在更高的共模變化頻率上繼續(xù)工作，下面探討這個(gè)問題。

進(jìn)一步的配線改進(jìn)

之前的討論集中在具無屏蔽雙絞線總線配線的隔離式收發(fā)器和非隔離式收發(fā)器之間的差別。更好的配線選擇包括，采用屏蔽導(dǎo)線和一種將所有隔離的地節(jié)點(diǎn)連到一起的公共導(dǎo)線。以下討論采用這些方法的兩種配線配置。

圖2b顯示用諸如Belden 9841電纜等屏蔽雙絞線連接的非隔離網(wǎng)絡(luò)。屏蔽層應(yīng)該只在一個(gè)點(diǎn)連接，以避免產(chǎn)生地環(huán)路。將屏蔽層連接到接收器地，可為提高系統(tǒng)性能提供最佳分流。在多節(jié)點(diǎn)、非隔離網(wǎng)絡(luò)中，主節(jié)點(diǎn)一般是屏蔽層連接點(diǎn)。屏蔽所起的作用是將耦合能量分流至地而不是信號線。對于縮小網(wǎng)絡(luò)不同節(jié)點(diǎn)上的驅(qū)動(dòng)器和接收器之間的地電位差來說，屏蔽并不起任何作用。如下面討論的那樣，這個(gè)限制在隔離式網(wǎng)絡(luò)中被消除了。

圖2d說明了用于隔離式收發(fā)器的最佳配線選擇。采用一根普通導(dǎo)線將每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的所有隔離地連接在一起。在某個(gè)點(diǎn)上將該公共接頭連接至非隔離地，以確立另外的未接地網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)稱電壓基準(zhǔn)電平。這可防止總線浮動(dòng)至超出隔離額定值的過高電壓。

這種配置可使RS485接收器發(fā)揮最佳性能，因?yàn)榻邮掌鞯母綦x地電位跟隨輸入信號的共模，并被吸收到隔離勢壘上。既然接收器地隨著信號變化，那么接收器就沒有抑制共模電壓瞬態(tài)的負(fù)擔(dān)了。跨隔離勢壘傳送數(shù)字編碼數(shù)據(jù)的電路承擔(dān)瞬態(tài)和共模抑制這個(gè)任務(wù)。在LTM2881中，數(shù)字隔離使用差分電感信號和編碼來傳送數(shù)據(jù)。LTM2881可以抑制高于30kV/us的瞬態(tài)轉(zhuǎn)換率，例如，勢壘電壓僅在27ns內(nèi)就有800V變化，而不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)。

圖2d還顯示了一個(gè)單獨(dú)的屏蔽層，該屏蔽層在一個(gè)點(diǎn)連接到大地的地電位，以分流耦合的噪聲。不過，有些系統(tǒng)不會(huì)既選擇屏蔽層又選擇單獨(dú)的基準(zhǔn)配線。在這種情況下，最佳選擇是將屏蔽層連接到每個(gè)隔離收發(fā)器的公共終端，然后再從一個(gè)點(diǎn)連接到大地的地電位。如果RF抗擾力仍然令人擔(dān)憂，那么利用從每個(gè)接收器公共端到地的高頻高壓電容器，就能夠從收發(fā)器分走能量。

需要隔離的網(wǎng)絡(luò)

顯然，隔離可以改善數(shù)據(jù)通信的可靠性。但是一個(gè)從隔離受益的正常運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)有哪些特點(diǎn)？哪些證據(jù)可以證明給一個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品增加隔離是正確的呢？

系統(tǒng)可能獲益的第一個(gè)跡象是在經(jīng)常進(jìn)行信息重發(fā)的時(shí)候。較高級的協(xié)議可以處理隨機(jī)誤差(由一個(gè)校驗(yàn)和進(jìn)行檢測)，并偶爾重新發(fā)送某個(gè)信息。較高級的協(xié)議也可能隨機(jī)丟失信息、超時(shí)和重新初始化。當(dāng)然也可以“重啟”，但是會(huì)降低系統(tǒng)性能。信息重發(fā)和重新啟動(dòng)經(jīng)常發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)就會(huì)變慢。節(jié)點(diǎn)將不會(huì)以預(yù)期的速度更新，編號靠后的地址或線路末端的節(jié)點(diǎn)可能很少更新，因?yàn)橹匦聠?dòng)經(jīng)常將主控信號發(fā)回到序列中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在有現(xiàn)實(shí)環(huán)境干擾的現(xiàn)場，系統(tǒng)性能可能比在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行系統(tǒng)測試和驗(yàn)證時(shí)觀察到的要差。協(xié)議差錯(cuò)檢驗(yàn)和恢復(fù)應(yīng)該只處理極少發(fā)生的事件。在正常工作情況下能看到通信差錯(cuò)時(shí)，就要采用隔離。

其他有可能需要隔離的跡象是出現(xiàn)現(xiàn)場故障和早期產(chǎn)品退貨。退回的產(chǎn)品遭損壞或報(bào)告有通信故障嗎？潛在的現(xiàn)場故障和安裝時(shí)損壞的組件都要考慮。正確使用隔離可以保護(hù)收發(fā)器免受某些配線差錯(cuò)的影響，否則這些配線差錯(cuò)可能損壞標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器。當(dāng)?shù)氐拈W電風(fēng)暴是否使故障增多？隔離的收發(fā)器提供額外的保護(hù)，以免受到電氣浪涌和高的地電位差影響。

另外還有一個(gè)跡象，即標(biāo)準(zhǔn)的(非隔離)RS485不夠可靠。某種類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有可能以不可預(yù)知的方式運(yùn)作，而其他類型的節(jié)點(diǎn)也將一致做出響應(yīng)。例如，不可預(yù)測的節(jié)點(diǎn)可能是大樓控制系統(tǒng)中的一個(gè)大型風(fēng)扇控制器。相比之下，溫度、濕度和空氣流動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)則表現(xiàn)得符合規(guī)則。風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)輻射電氣噪聲，并將高的諧波分量傳導(dǎo)到局部接地回路中。另外，風(fēng)扇控制器常常在連接到有20個(gè)或更多節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)時(shí)表現(xiàn)尤其不佳。節(jié)點(diǎn)較多的網(wǎng)絡(luò)有額外的菊花鏈配線連接，這在兩條差分?jǐn)?shù)據(jù)線 A 和 B 上增加了電容，也增加了電容失衡。數(shù)據(jù)線上的電容失衡往往導(dǎo)致將共模信號轉(zhuǎn)換成錯(cuò)誤的差分信號，從而引起通信差錯(cuò)。這是風(fēng)扇控制器在大型網(wǎng)絡(luò)上通信不好的情況舉例。具有一條公共基準(zhǔn)導(dǎo)線的隔離通過吸收共模信號以減輕這個(gè)問題，因此防止通過電容失衡轉(zhuǎn)換成差分信號。

將隔離帶來的好處最大化

對任何網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品來來說，隔離都是一個(gè)可行的改進(jìn)方法。一個(gè)隔離的通信接口可以減輕顯現(xiàn)的問題，使通信更可靠，并使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品能夠承受極端條件。

圖5顯示了在一個(gè)半雙工網(wǎng)絡(luò)中，采用LTM2881隔離式RS485收發(fā)器的典型應(yīng)用和配線。該電路證明，將一條基準(zhǔn)導(dǎo)線或屏蔽層連接到每個(gè)隔離式收發(fā)器的公共點(diǎn)是一個(gè)好的嘗試。它應(yīng)該在一個(gè)點(diǎn)連接到基準(zhǔn)或地。如果還會(huì)使用一個(gè)單獨(dú)的屏蔽層，那么它應(yīng)該連接到相同作為基準(zhǔn)線的大地的地點(diǎn)。這條基準(zhǔn)線強(qiáng)制所有收發(fā)器的公共點(diǎn)處于相同的電平，從而消除了接收器的共模信號。相比之下，屏蔽層只能在耦合的噪聲到達(dá)數(shù)據(jù)線之前將其分流掉。