揭開 PROFIBUS-DP 物理層的面紗

引言

PROFIBUS-DP (分布式外設(shè)) 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)存在了 20 多年，可是，物理層的要求可能仍然不明朗，這常常導(dǎo)致在收發(fā)器定義中出現(xiàn)混淆紊亂的情況。 不過(guò)，任何含糊不清顯然并未阻止 PROFIBUS 成為一種成功 (也許是最成功) 的現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案，在世界各地安裝的設(shè)備數(shù)量已超過(guò)了 5,000 萬(wàn)部。

當(dāng)部署新的系統(tǒng)時(shí)，需要知道所使用的收發(fā)器是按照 PROFIBUS-DP 標(biāo)準(zhǔn)最新和準(zhǔn)確的解釋設(shè)計(jì)的，這一點(diǎn)是很重要。凌力爾特的 LTC2877 PROFIBUS-DP 接收器可應(yīng)對(duì)此類需求，其采取了真正堅(jiān)持執(zhí)行最新 IEC 61158-2 PROFIBUS-DP 標(biāo)準(zhǔn)，并增添了極致的保持機(jī)制，從而提升了新的主控設(shè)備和受控設(shè)備的兼容性和可靠性。

PROFIBUS-DP 基礎(chǔ)知識(shí)

較快、較簡(jiǎn)單的 PROFIBU-DP 標(biāo)準(zhǔn)是在 1993 年從較慢、較復(fù)雜的 PROFIBUS FMS (現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范) 父代標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上誕生的。PROFIBU-DP 也有一個(gè)“更年輕的兄弟”或衍生的標(biāo)準(zhǔn) PROFIBUS-PA (過(guò)程自動(dòng)化)，該標(biāo)準(zhǔn)采用曼徹斯特編碼總線供電 (MBP) 傳輸，增加了總線供電功能，使其非常適合危險(xiǎn)環(huán)境中的本質(zhì)安全應(yīng)用。除此以外，PROFIBUS-DP 也是目前使用最廣泛的 PROFIBUS 版本，這很可能是因?yàn)槠浼床寮从没咎卣?、靈活性和成本效益性在大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用中具有吸引力。從工業(yè)工廠中傳感器和執(zhí)行器的管理，到與鐵路站場(chǎng)上流量計(jì)的通信，PROFIBUS-DP 使 I/O 卡 (主控器) 與控制器分散并讓它們更靠近傳感器和執(zhí)行器 (受控器)，從而給安裝和操作帶來(lái)了許多好處。

PROFIBUS-DP 能通過(guò)多種媒體進(jìn)行通信，包括銅線、光纖、甚至空氣 (在紅外線通信裝置中)。到目前為止，PROFIBUS-DP 主控器和受控器最常用的位元傳輸 (ISO/OSI 模型的第一層) 媒體是雙絞線，它連接著采用 TIA/EIA-485-A (RS485) 收發(fā)器進(jìn)行通信的設(shè)備?？紤]到 RS485 的高速差分信號(hào)傳輸能力以及可在工廠應(yīng)用等噪聲環(huán)境中通過(guò)長(zhǎng)距離完成多部設(shè)備之間的堅(jiān)固型通信，這并不令人驚訝。在線性拓?fù)渲?，使?RS485 收發(fā)器的多個(gè)主控器，例如 PLC (可編程邏輯控制器)，每個(gè)段可連接 30 個(gè)受控器，在這種拓?fù)渲?，使用集線器 (并行段) 或中繼器 (串行段) 可將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展為連接 124 個(gè)受控器。每個(gè)段必須采用有源終端在兩端進(jìn)行終接。所有的受控器均可熱交換到總線，而且它們的位置無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)槊總€(gè)受控器都被分配了唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。

95% RS485，5% 混雜

PROFIBUS-DP 采用了大部分的 TIA/EIA-485-A (RS485) 標(biāo)準(zhǔn)，但確實(shí)做了少量的改動(dòng)，這些改動(dòng)會(huì)由于較大的系統(tǒng)問(wèn)題而被意外忽略。因此，與人們普遍相信的情況相反，并非所有的 RS485 收發(fā)器和電纜都適合 PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)，反之亦然。電纜布線、終接、信號(hào)名稱和驅(qū)動(dòng)器要求方面的差異的確存在;過(guò)于倉(cāng)促地拒絕考慮這些差異有可能容易地讓您在主控設(shè)備或受控設(shè)備的性能 (或更糟，包括認(rèn)證) 方面付出代價(jià)。

雖然 RS485 標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定任何特殊的電纜布線要求，但是 120Ω 屏蔽雙絞線已經(jīng)成為了通常的推薦方案。然而，PROFIBUS-DP 則推薦使用 150Ω 屏蔽雙絞線。不幸的是，120Ω 不能近似為 150Ω，而這細(xì)小的電纜阻抗差異實(shí)際上導(dǎo)致必需采用不同的 (而且在大多數(shù)場(chǎng)合中還是新的) 電纜。另外，PROFIBUS-DP 還規(guī)定了一個(gè)最大電纜長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度取決于所使用的是 10 種波特率 “步幅” 中的哪一種 (從 9.6kbps 時(shí)的 1200m 到 12Mbps 時(shí)的 100m)。

當(dāng)然，電纜阻抗要求不同，終端要求便隨之不同。為最大限度減少信號(hào)反射，RS485 裝置通常在總線的兩端都采用單個(gè) 120Ω 終端電阻器，而 PROFIBUS-DP 則建議在總線的兩端采用一個(gè) 171Ω 終端網(wǎng)絡(luò)。等一下，這是不是打字錯(cuò)誤了?…… PROFIBUS-DP 推薦使用一個(gè) 171Ω 終端網(wǎng)絡(luò)，因此與同樣由它推薦的 150Ω 電纜特征阻抗就不匹配了? 正是如此!圖 1 示出了 PROFIBUS-DP 所用的電纜和終端網(wǎng)絡(luò)與 RS485 存在怎樣的不同。由圖可見，PROFIBUS-DP 采用了兩個(gè) 390Ω 總線偏置電阻器連同 220Ω 終端電阻器;該終端網(wǎng)絡(luò)的有效差分電阻為 171Ω，這顯然與 150Ω 電纜并不是完全匹配，因而形成了一個(gè)輕微欠阻尼的網(wǎng)絡(luò)。但是不要擔(dān)心，因?yàn)樵陔娎|的接收端這把其自身呈現(xiàn)為僅僅是信號(hào)電壓的一個(gè)小幅凸起 (即增加)，而持續(xù)的時(shí)間是電纜傳播延遲的兩倍。

圖 1：RS485 和 PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)中的電纜、終端和引腳差異

假如電纜 / 終端失配還不夠，那么 PROFIBUS 收發(fā)器上總線引腳的命名應(yīng)該進(jìn)一步打碎您的期望。您可能已經(jīng)注意到圖 1 中使用相反的引腳名稱。在大多數(shù)通用型 RS485 收發(fā)器中，引腳 A 是同相接收器輸入 (和同相驅(qū)動(dòng)器輸出)，而引腳 B 則是反相接收器輸入 (和反相驅(qū)動(dòng)器輸出)，這相對(duì)于接收器輸出和驅(qū)動(dòng)器輸入。然而，PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)描述總線極性的方式使引腳 B 和 A 與上面的 RS485 恰好相反。為什么不一致呢? 原始的 TIA/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)在其相對(duì)于邏輯信號(hào)功能的總線極性定義中有不明確的地方，所以 RS485 IC 設(shè)計(jì)師幾乎總是以一種方式解釋規(guī)范，而其他人則以不同的方式解釋。這對(duì)您來(lái)說(shuō)意味著什么呢? 尤其當(dāng)您同時(shí)擁有 RS485 和 PROFIBUS-DP 項(xiàng)目時(shí)，那就是在把收發(fā)器總線引腳映射到連接器時(shí)必需特別注意。

根據(jù)現(xiàn)成有售定義不明確收發(fā)器的數(shù)量來(lái)看，差分驅(qū)動(dòng)器輸出電壓 (VOD) 也許是 PROFIBUS-DP 的物理層中誤解最大 (或者最有意忽略的) 規(guī)格指標(biāo)。RS485 規(guī)定 A 和 B 線之間的 VOD 應(yīng)為 1.5V 至 5V (峰值差分，利用一個(gè)介于 A 和 B 之間的 54Ω 電阻器在驅(qū)動(dòng)器端子上測(cè)量)。然而，PROFIBUS-DP 則規(guī)定 VOD 應(yīng)為 4V 至 7V (峰至峰差分，在電纜的遠(yuǎn)端上測(cè)量，而且在電纜的每一端上具有終端)。顯然，這些要求是大相徑庭的。

一種常見的誤解是：如果一個(gè) RS485 驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)單地在一個(gè) 54Ω 負(fù)載兩端產(chǎn)生高于 2.1V 的電壓，那么當(dāng)與 PROFIBUS-DP 終端網(wǎng)絡(luò)一起使用時(shí)，它將滿足 PROFIBUS-DP 的要求。然而，情況并非總是如此。RS485 驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度可能過(guò)高并超過(guò) 7VPP PROFIBUS-DP 限值。換言之，要注意再普通不過(guò)的 “PROFIBUS” 兼容型 RS485 收發(fā)器只規(guī)定了一個(gè) VOD 最小值 (即：2.1V)，而沒(méi)有規(guī)定最大值。確保 PROFIBUS-DP VOD 相符性的最佳方法是利用一個(gè) PROFIBUS 負(fù)載來(lái)測(cè)試收發(fā)器。圖 2 示出了怎樣利用一個(gè) PROFIBUS-DP 負(fù)載和一些串聯(lián)電阻 (以模擬電纜損耗) 來(lái)測(cè)試 LTC2877 堅(jiān)固型 PROFIBUS RS485 收發(fā)器，圖中的 VOD (藍(lán)色曲線) 是利用在 “電纜的末端” (A’ 和 B’) 采集的測(cè)量數(shù)據(jù)生成的，以確保真正地滿足了 PROFIBUS-DP 規(guī)范要求;另外，LTC2877 也利用 RS485 負(fù)載進(jìn)行了全面測(cè)試，以確保 VOD 與這兩種標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。

圖 2：采用一個(gè) PROFIBUS-DP 負(fù)載來(lái)測(cè)試 LTC2877 差分輸出電壓 (VOD)

保護(hù) PROFIBUS-DP

當(dāng)談到減輕噪聲、故障、靜電放電 (ESD)、電性快速瞬變 (EFT) 或浪涌時(shí)，TIA/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)所做的規(guī)定非常之少，這就為收發(fā)器制造商和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師實(shí)施他們自己的保護(hù)方法留出了空間。盡管這樣具有靈活性，但是人們都對(duì)嚴(yán)酷環(huán)境所造成的危害太熟悉了 (電纜必須經(jīng)常蜿蜒穿梭其中)，并且期待在 PROFIBUS-DP 收發(fā)器中擁有某種最低限度的內(nèi)置保護(hù)功能。雖然保護(hù)要求因應(yīng)用而異，可是 LTC2877 (示于圖 3) 憑借異常高的電氣保護(hù)等級(jí)單槍匹馬地全面滿足了市場(chǎng)要求。

圖 3：LTC2877 提供多種保護(hù)等級(jí)

TIA/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上兩部設(shè)備之間的接地漂移在操作過(guò)程中可大至 –7V 至 +12V。不過(guò)，許多 PROFIBUS-DP 裝置會(huì)容易地遇到遠(yuǎn)大于此的電壓，倘若這些總線電壓被超過(guò)了哪怕幾伏，普通的 PROFIBUS-DP 收發(fā)器也會(huì)因此受到嚴(yán)重的損壞。PROFIBUS 常用于 24V 系統(tǒng)，在此類系統(tǒng)中把 “標(biāo)準(zhǔn)的” RS485 設(shè)備短接至 24V 可能是致命的。LTC2877 中的接收器具有一個(gè) –25V 至 +25V 的擴(kuò)展共模范圍，從而使 LTC2877 能夠安全經(jīng)受大的共模電壓，并且不受干擾地繼續(xù)傳輸和接收數(shù)據(jù)。過(guò)壓容差有限的收發(fā)器使得難以在不干擾適當(dāng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能的情況下實(shí)現(xiàn)有效的外部保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。用具有 ±60V 過(guò)壓保護(hù)功能的 LTC2877 替代常見的 PROFIBUS-DP 收發(fā)器能夠容易地消除由于過(guò)壓故障引起的現(xiàn)場(chǎng)失效，并不需要采用昂貴的外部保護(hù)器件。

不言而喻，PROFIBUS-DP 收發(fā)器確實(shí)是系統(tǒng)的第一道防線，而且必需能夠保護(hù)他們自身免受各種不同級(jí)別電過(guò)應(yīng)力的損壞，特別是最常遇到的形式，即 ESD 沖擊。雖然某些 PROFIBUS 收發(fā)器在未通電時(shí)在其總線引腳上提供了至 15kV 的 ESD 保護(hù)，但是 LTC2877 上的總線引腳則在未通電或通電以及任何操作模式中提供了 ±26kV HBM 保護(hù)等級(jí) (相對(duì)于地或任一個(gè)電源)，并不會(huì)發(fā)生鎖斷或損壞情況。此外，當(dāng)未通電時(shí)，還為總線引腳提供了針對(duì) ±52kV 巨大對(duì)地電壓的保護(hù)作用。這種令人印象深刻的 ESD 保護(hù)等級(jí)僅僅是 LTC2877 堅(jiān)固性的一個(gè)證明。

電過(guò)應(yīng)力的另一種形式是 EFT，根據(jù) IEC 61000-4-4 EFT 標(biāo)準(zhǔn)，EFT 是持續(xù)時(shí)間為 60s 的高電壓尖峰脈沖串。此類過(guò)應(yīng)力通常是開關(guān)和繼電器中的電弧接觸點(diǎn)引起的，在使用機(jī)電開關(guān)連接和斷接電感負(fù)載的工業(yè)環(huán)境中這是常見的。LTC2877 可滿足 IEC 61000-4-4 的最高嚴(yán)重程度要求 (其為 level 4)，這相當(dāng)于總線引腳上的 2kV 開路電壓。

也許最嚴(yán)重的電過(guò)應(yīng)力形式是大自然以閃電形式傳送的電涌，單個(gè)閃電能夠攜帶高達(dá) 50 億焦耳的能量。那么，像 LTC2877 這樣的纖巧型收發(fā)器 IC 不具備針對(duì)這種量級(jí)之電涌的固有保護(hù)能力也就不足為奇了。取而代之的是，在暴露于各種惡劣環(huán)境的 PROFIBUS-DP 系統(tǒng)中通常使用外部浪涌保護(hù)組件，包括 MOV (金屬氧化物變阻器)、TVS (瞬態(tài)電壓抑制) 二極管、TSPD (晶閘管浪涌保護(hù)器件) 和 GDT (氣體放電管)。而且，雖然 LTC2877 靠單擊獨(dú)奏將無(wú)法成功地防護(hù)閃電沖擊，但是其很高的 ±60V 引腳額定電壓使之可容易地找到能夠提供這種保護(hù)等級(jí)的外部保護(hù)組件。

結(jié)論

可以毫不諱言地說(shuō)，PROFIBUS-DP 因其諸多出眾的品質(zhì)將在一段時(shí)間里身居現(xiàn)場(chǎng)總線通信的王者地位。采用凌力爾特的 LTC2877 進(jìn)行設(shè)計(jì)提供了一種平靜的心態(tài)，那就是您將保持與當(dāng)今最新規(guī)范的相符和同步。一旦對(duì) PROFIBUS 規(guī)范有了更深入的了解，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其他聲稱符合該規(guī)范的收發(fā)器常常有差強(qiáng)人意之處。LTC2877 正確地解釋了 RS485 和 PROFIBUS-DP 之間所有細(xì)微、但是重要的差異，包括驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度。此外，LTC2877 還實(shí)現(xiàn)了多種保護(hù)機(jī)制 (包括極其堅(jiān)固的 ESD 防護(hù)單元)，以提供針對(duì)各種各樣威脅的保護(hù)作用。論證一款 PROFIBUS-DP 原型從未如此容易。