Profibus總線在雙絞線上實(shí)現(xiàn)12M速率的初步研究

隨著現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展,RS485總線已是用于工業(yè)系統(tǒng)中通信的最主要也是最普及的通信方式之一。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的最高速率可12M，但通信距離很小。為擴(kuò)大通信距離，需要實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)闹欣^。研究在一對(duì)雙絞線上傳輸12M速率的RS485信號(hào)，便是為實(shí)現(xiàn)12M速率的Profibus總線的傳輸中繼與傳輸轉(zhuǎn)換。

實(shí)現(xiàn)原理

Profibus總線采用一對(duì)RS485差分?jǐn)?shù)字信號(hào)在一對(duì)雙絞線上傳輸雙向數(shù)據(jù)，兩個(gè)方向數(shù)據(jù)在雙絞線上是分時(shí)傳輸?shù)模盘?hào)的傳輸方向在某一時(shí)間只能向一個(gè)方向傳輸，在另一時(shí)間可以向另外一個(gè)方向傳輸。

為Profibus總線的中繼原理是：中繼器(或其他傳輸設(shè)備)同時(shí)監(jiān)視兩側(cè)的RS485總線，當(dāng)有一方(這里簡(jiǎn)稱A側(cè)，另一側(cè)則簡(jiǎn)稱B側(cè)，以下同)總線有數(shù)據(jù)時(shí)，立即接收數(shù)據(jù)，如果B側(cè)的總線沒(méi)有使用，就將剛從A方接收的數(shù)據(jù)傳到B側(cè)端，并驅(qū)動(dòng)B側(cè)的雙絞線;在這一過(guò)程中，如果A鍘的數(shù)據(jù)已停，總線上已沒(méi)有數(shù)據(jù)，又回到初始的雙向監(jiān)視狀態(tài)。在信號(hào)從B向傳向A向的數(shù)據(jù)也是同樣的過(guò)程。

為此實(shí)現(xiàn)Profibus總線的中繼與傳輸，需要識(shí)別信號(hào)的傳輸方向、完成雙向數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)、接收雙絞線上差分電信號(hào)與驅(qū)動(dòng)雙絞線以及完成傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換等。

雙向控制

實(shí)現(xiàn)RS485信號(hào)傳輸?shù)碾p向識(shí)別的方法很多，對(duì)于低速的RS485信號(hào)傳輸，可以采用兩個(gè)異步串行接口單元，一個(gè)單元接收，另一個(gè)單元轉(zhuǎn)發(fā)。但當(dāng)速率提高到12M時(shí)，完成這樣的功能的可實(shí)現(xiàn)單元就很少了，且價(jià)格都很昂貴。為此，我們應(yīng)研究一種更為低成本的雙向數(shù)據(jù)流控制的實(shí)現(xiàn)方案。

結(jié)合現(xiàn)代同步傳輸理論，傳輸?shù)谋举|(zhì)信號(hào)的轉(zhuǎn)移，對(duì)一向RS485這樣的二值電平信號(hào)的傳輸就是信號(hào)電平及邊沿的轉(zhuǎn)移，為此，我們可以研究信號(hào)電平及邊沿的轉(zhuǎn)移特性，經(jīng)期采用這樣的特性實(shí)現(xiàn)RS485信號(hào)的傳輸。

在同步信號(hào)傳輸中，為滿足信號(hào)的傳輸質(zhì)量，要求信號(hào)的傳輸邊沿抖動(dòng)特性符合一定的要求，通常要求瞬時(shí)抖動(dòng)時(shí)間小于其數(shù)字單比特周期的1/16(比如電信網(wǎng)中的基群信號(hào)的傳輸瞬時(shí)抖動(dòng)要求)。在異步數(shù)據(jù)通信中(比如CPU的串行接口或多種串品收發(fā)電路)，通常采用16倍的信號(hào)時(shí)鐘讀取異步數(shù)據(jù)，如果采用16次采樣的中間三次取得數(shù)據(jù)的值，則在接收信號(hào)時(shí)，一個(gè)有效的數(shù)據(jù)比特時(shí)間應(yīng)最少是總周期的10/16，也就是說(shuō)，允許接收端有單比特的6/16的時(shí)間抖動(dòng)(這一結(jié)論的前提是16次采樣并取三次有效)，假定信號(hào)在傳輸過(guò)程中可能引起的超前與滯后為等概率，則采樣周期應(yīng)小于傳輸數(shù)據(jù)周期的1/5，所以，要完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的RS485雙向數(shù)據(jù)通信，若采用數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)移的方式，最少需要采樣率為最高速率的5倍(這一結(jié)果仍是基于16倍采樣，中間三次取值的前提得出的)。為了能適應(yīng)大多數(shù)據(jù)的接收器允許的誤差，滿足傳輸誤碼率的要求，通常要求傳信號(hào)的速率要高于12倍的最高信號(hào)比特率。

基于上述，要取得有效的12M數(shù)據(jù)，需要144M以上的采樣速率完成信號(hào)識(shí)別。

同時(shí)，在完成信號(hào)識(shí)別到處理信號(hào)的收發(fā)控制應(yīng)在約6ns的時(shí)間。

為完成信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，需要知道何時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)束，對(duì)于傳輸12M的Profibus總線數(shù)據(jù)，如何識(shí)別傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)速是一個(gè)難題。為此，應(yīng)建立專用的總線空閑標(biāo)識(shí)，以決定何時(shí)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)兩側(cè)的數(shù)據(jù)。

總線接收與驅(qū)動(dòng)

在實(shí)現(xiàn)Profibus總線雙向中繼傳輸時(shí)，信號(hào)的接收與驅(qū)動(dòng)需要有特殊的要求，對(duì)于12M的信號(hào)，其周期約為80ns，為達(dá)到更高的精度要求，防止信號(hào)的崎變對(duì)傳輸影響，信號(hào)的上升沿與下降沿都要有時(shí)間上的要求，比如，要達(dá)到5-8個(gè)ns，否則對(duì)信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。這是一般的驅(qū)動(dòng)器所做不到的。在接收端，對(duì)總線的快速響應(yīng)時(shí)間是個(gè)重要指標(biāo)，同樣要求接收信號(hào)引起的崎變要盡可能的小，并能達(dá)到傳輸對(duì)時(shí)間的要求。

信號(hào)的傳播與終端匹配

RS485信號(hào)在雙絞線中的傳輸特性符合傳輸線理論。傳輸線相當(dāng)于一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)，可等效成電容、電感與電阻的混合網(wǎng)絡(luò)，其輸入與輸出阻抗特性因型號(hào)的不同而不同;選用Profibus總線專用雙絞線，等效阻抗為120歐。等效阻抗不是一個(gè)絕對(duì)值，是相對(duì)于傳輸信號(hào)的頻率而變化的，當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，期電容特性表現(xiàn)明顯，所以，對(duì)于傳輸12M的數(shù)據(jù)信號(hào)，表現(xiàn)為低阻容性負(fù)載，吸收信號(hào)的能量快，使傳輸距離變短。另外，在通信中傳輸?shù)男盘?hào)是以邊沿計(jì)時(shí)的，邊沿等效為多外高次諧波的疊加，而在傳輸中，傳輸線對(duì)高頻的信號(hào)吸收過(guò)快，從而引起信號(hào)的崎變加大，當(dāng)崎變到一定程度時(shí)，在接收端不能正確的接收數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步使傳輸距離變短。

信號(hào)從發(fā)送端進(jìn)入雙絞線后，傳到另一端，如果終端阻抗不匹配，則回引起回波反射，阻抗的不匹配程序可以引起反射波的幅度與相位都不相同，當(dāng)一端為低阻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)吸收掉網(wǎng)絡(luò)上的大部分網(wǎng)絡(luò)，但也會(huì)造成傳輸能量的大量損耗，使傳輸距離大大受影響。正如上面所說(shuō)，當(dāng)數(shù)字信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí)，其高頻成份在還不能到達(dá)傳輸線的另一端時(shí)已被完全吸收，而低次頻率份量則還會(huì)傳到對(duì)端在阻抗不匹配時(shí)產(chǎn)生反射。我們需要做的就是，在倍傳輸過(guò)程中，讓吸收的程序與反射的程序都降到較小，以達(dá)到我們最好的傳輸質(zhì)量。

終端匹配網(wǎng)絡(luò)是減小反射的一種方法，可以有效降低信號(hào)的對(duì)傳輸?shù)挠绊?。?dāng)信號(hào)傳輸?shù)?2M速率時(shí)，因高頻信號(hào)衰減太快，為使信號(hào)能夠被識(shí)別，只有縮短傳輸距離，所以高速Profibus總線的傳輸距離要比低速總線短很多。

在信號(hào)傳輸時(shí)，信號(hào)在傳輸線中每1ns大約傳輸17cm，要傳輸一個(gè)12M的信號(hào)，如果采樣率約為6ns，則在約1米的傳輸線上傳送著以個(gè)可以被部?jī)?yōu)別的時(shí)間傳輸單元，加上傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)器與接收器的延時(shí)，會(huì)對(duì)信號(hào)的控制產(chǎn)生更大難度。

測(cè)試結(jié)果

通過(guò)采用勾股通信NS21 Profibus總線通信模塊的測(cè)試，在通常的120歐匹配網(wǎng)絡(luò)的前提條件下，傳輸雙工的RS485數(shù)據(jù)，在達(dá)到12M的速率時(shí)，可以傳輸約10米的距離，這一性能與采用SIMENS的S300 系列PLC產(chǎn)品直接互連時(shí)測(cè)試的結(jié)果基本相同。并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)高速與有效的控制，可以實(shí)現(xiàn)全速率的Profibus總線的雙向總線中繼與傳輸。