使用现场总线更快更远

PROCENTEC 等行业专家表明，在采用基于 RS-485 的现场总线技术 (PROFIBUS ^® ) 和工业以太网 (PROFINET) 的快速增长。 2018年，全球安装了6100万个PROFIBUS现场总线节点，PROFIBUS过程自动化（PA）同比增长7%。 PROFINET 安装基础为 2600 万个节点，仅 2018 年就安装了 510 万台设备。 ¹

随着 RS-485 现场总线采用的稳步增长和工业 4.0 加速智能互联工厂的部署，确保现场总线技术得到优化有助于实现智能系统。优化的现场总线技术必须仔细平衡 EMC 稳健性和可靠的数据传输。

不可靠的数据传输会降低整体系统性能。在运动控制应用中，现场总线通常用于单轴或多轴电机的闭环位置控制。高数据速率和长电缆很常见，如图 1 所示。如果位置控制不可靠，那么实际上性能下降意味着质量机器吞吐量和工厂生产率降低。在无线基础设施应用中，现场总线通常用于天线的倾斜/位置控制，其中准确的数据传输至关重要。在运动控制和无线基础设施应用中，需要不同级别的 EMC 保护，如图 1 所示。运动控制应用通常在电气噪声环境中运行，这可能会导致数据错误。相比之下，必须保护无线基础设施免受暴露环境中的破坏性间接雷击。

对于这些要求严苛的应用，需要仔细检查电缆上的 RS-485 收发器定时性能，以确保系统可靠以及 EMC 特性。本文介绍了一些关键的系统时序和通信电缆概念；提供关键性能指标，包括时钟和数据分配以及电缆驱动能力；并展示了使用下一代 RS-485 收发器对工业应用的好处。

时序性能

当考虑在长电缆长度上以高数据速率进行可靠数据传输时，时序性能概念，例如抖动和偏斜——通常与低压差分信号 (LVDS) 相关——对于 RS-485 变得很重要。需要检查 RS-485 收发器和系统电缆添加的抖动和偏移。

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图 1. RS-485 的 EMC、数据速率和电缆长度。 （来源：Analog Devices）

抖动和歪斜

抖动可以量化为时间间隔误差，特别是信号转换的预期到达时间与该转换实际到达时间之间的差异。在通信链路中，抖动的产生因素有多种。每个贡献者本质上可以被广泛地描述为随机或确定性的。随机抖动可以从其高斯分布中识别出来，它源于半导体内的热噪声和宽带散粒噪声。确定性抖动来自通信系统内的来源；例如，占空比失真、串扰、周期性外部噪声源或符号间干扰。在使用 RS-485 标准的通信系统中，数据速率低于 100 MHz，其中这些确定性抖动效应优于随机效应。

峰峰值抖动值是确定性源导致的总系统抖动的有用度量。通过在同一显示器上叠加大量信号转换（通常称为眼图），可以在时域中检查峰峰值抖动。这可以在使用无限余辉的示波器显示器上或使用示波器的内置抖动分解软件来实现，如图 2 所示。 ²

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图 2. 时间间隔误差、抖动和眼图。 （来源：Analog Devices）

重叠转换的宽度是峰峰值抖动，中间的开放区域称为眼图。该眼图是长 RS-485 电缆远端的接收节点可用于采样的区域。更大的眼宽为接收节点提供了更宽的采样窗口，并降低了错误接收比特的风险。可用眼图主要受来自 RS-485 驱动器和接收器以及互连电缆的确定性抖动贡献的影响。

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图 3. RS-485 通信网络中抖动的主要影响因素。 （来源：Analog Devices）

图 3 显示了通信网络中的各种抖动来源。在基于 RS-485 的通信系统中，影响时序性能的两个关键因素是收发器脉冲偏移和符号间干扰。脉冲偏移，也称为脉冲宽度失真或占空比失真，是由收发器在发送和接收节点处引入的一种确定性抖动形式。脉冲偏移定义为信号上升沿和下降沿之间的传播延迟差异。在差分通信中，这种偏斜会造成不对称的交叉点以及传输的 0 和 1 的持续时间之间的不匹配。在时钟分配系统中，过度的脉冲偏斜表现为传输时钟占空比的失真。在数据分配系统中，这种不对称性会增加眼图中观察到的峰峰值抖动。在这两种情况下，过度的脉冲偏移都会对通过 RS-485 传输的信号产生负面影响，并降低可用的采样窗口和整体系统性能。

当信号边缘的到达时间受到在该边缘之前的数据模式的影响时，会发生符号间干扰 (ISI)。符号间干扰效应在电缆互连较长的应用中变得突出，使 ISI 成为 RS-485 网络中的关键因素。较长的互连会产生一个 RC 时间常数，其中电缆电容在单个位周期结束时尚未完全充电。在传输数据仅包含时钟的应用中，不存在这种形式的码间干扰。电缆传输线上的阻抗不匹配、线路短截线或终端电阻使用不当也可能导致符号间干扰。具有高输出驱动强度的 RS-485 收发器通常有助于最小化 ISI 效应，因为它们需要更少的时间为 RS-485 电缆的负载电容充电。

可容忍的峰峰值抖动百分比高度依赖于应用，通常 10% 的抖动用于衡量 RS-485 收发器和电缆性能的组合。过度抖动和偏斜的组合会影响接收 RS-485 收发器的采样能力，从而增加发生通信错误的可能性。在正确端接的传输网络中，选择经过优化的收发器以最大限度地减少收发器脉冲偏移和符号间干扰影响，从而获得更可靠、无差错的通信链路。

RS-485 收发器设计和电缆效果

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 标准 ³ 提供 RS-485 发送器和接收器的设计和操作范围的规范，包括电压输出差分 (VOD)、短路特性、共模负载以及输入电压阈值和范围。 RS-485 时序性能，包括时滞和抖动，在 TIA-485-A/EIA-485-A 标准中没有规定，由 IC 供应商根据产品数据表规范进行优化。

其他标准，例如 TIA-568-B.2/EIA-568-B.2，双绞线电信标准 ⁴ 为电缆交流和直流对 RS-485 信号质量的影响提供背景。该标准提供了抖动、偏斜和其他定时测量的注意事项和测试程序，并设置了性能限制；例如，允许的最大 5e 类电缆偏斜为每 100 m 45 ns。阅读增强型 RS-485 性能，详细了解 TIA-568-B.2/EIA-568-B.2 标准以及使用非理想布线对系统性能的影响。

虽然可用的标准和产品数据表提供了有用信息的良好来源，但任何有意义的系统时序性能表征都需要测量长电缆上的 RS-485 收发器。

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图 4. ADM3065E 典型时钟抖动性能。 （来源：Analog Devices）

使用 RS-485 进行更快、更远的通信

下一代 RS-475 收发器提供增强的性能，以满足使用 TIA-485-A/EIA-485-A 等未定义时滞和抖动标准的应用的需求。例如，ADI 公司的 ADM3065E 等 RS0485 收发器可提供超低的发送器和接收器偏移性能。这允许系统支持精密时钟的传输，这通常在电机编码标准中具有特色，例如 EnDat 2.2. ⁵ 如图 4 和 5 所示，系统已经证明在电机控制应用中遇到的典型电缆长度上的确定性抖动小于 5%。收发器的宽电源范围意味着这种定时性能水平适用于需要 3.3 V 或 5 V 收发器电源的应用。

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图 5. ADM3065E 接收眼图：25 MHz 时钟分布在 100 m 电缆上。 （来源：Analog Devices）

除了卓越的时钟分配之外，增强的时序性能还支持可靠的数据分配，具有高速输出和最小的附加抖动。图 6 显示，通过使用增强型收发器，RS-485 数据通信通常引用的时序限制可以大大放宽。标准 RS-485 收发器通常适用于 10% 或更少抖动的操作。 ADM3065E 可以在长达 100 m 的电缆上以超过 20 Mbps 的速度运行，并且在接收节点仍保持仅 10% 的抖动。这种低抖动水平降低了接收数据节点不正确采样的风险，并导致以前使用典型 RS-485 收发器无法实现的传输可靠性。在接收节点可以容忍高达 20% 的抖动水平的应用中，100 m 电缆线路上的数据速率高达 35 Mbps。

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图 6. ADM3065E 接收数据节点优越的抖动性能。 （来源：Analog Devices）

对于使用 EnDat 2.2 编码器协议传输的每个数据包，数据与时钟下降沿同步传输。图 7 说明了在初始计算绝对位置 (TCAL) 之后，起始位开始从编码器向主控制器传输数据。随后的错误位（F1、F2）指示编码器故障何时会导致位置值不正确。然后编码器传输一个绝对位置值，从 LS 开始，然后是数据。时钟和数据信号完整性对于长距离电缆上的成功定位和错误信号至关重要，EnDat 2.2 规定了最大 10% 的抖动。 EnDat 2.2 规定在 16 MHz 时钟速率下超过 20 m 的布线的最大操作。图 4 显示仅 5% 的时钟抖动即可满足这些要求，图 6 显示满足数据传输的抖动要求，而标准 RS-485 收发器则不满足。这一点很重要，因为优于电缆的卓越时序性能可确保系统设计人员获得必要的信息，以实现成功满足 EnDat 2.2 规范的设计。

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图 7. EnDat 2.2 物理层和具有时钟/数据同步的协议（改编自 EnDat 2.2 的图表）。 （来源：Analog Devices）

更长的电缆具有更好的可靠性

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 标准 ³ 需要兼容的 RS-485 驱动器才能在满载网络中生成至少 1.5 V 的差分电压幅度 VOD。这个 1.5 VOD 允许在长电缆长度上产生 1.3 V 的电压直流衰减，RS-485 接收器被指定在至少 200 mV 的输入差分电压下工作。使用设计为在 5 V 供电时输出至少 2.1 V VOD 的收发器，设计人员可以超过 RS-485 规范要求。

满载 RS-485 网络等效于 54 Ω 差分负载，它模拟两个 120 Ω 电阻器的双端接总线，另外 750 Ω 代表 1 个单位负载或 12 kΩ 的 32 个连接设备。 ADM3065E 采用专有输出架构，可在满足所需共模电压范围的同时最大限度地提高 VOD，超越 TIA-485-A/EIA-485-A 的要求。图 8 说明了收发器在由 3.3 V 电源轨供电时如何超过 RS-485 标准的驱动要求> 210%，或者在由 5 V 供电轨供电时超过 300%。与常规 RS-485 收发器相比，这允许系统与更多远程节点和更多噪声容限进行更进一步的通信。

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图 8. ADM3065E 在广泛的电源范围内超出了 RS-485 驱动器要求。 （来源：Analog Devices）

图 9 进一步说明了超过 1000 m 电缆的典型应用中的这一点。当通过标准 AWG 24 电缆进行通信时，增强型收发器比标准 RS-485 收发器好 30%——接收节点的噪声容限增加 30%，或者在低数据速率下最大电缆长度增加 30%。这种性能非常适合无线基础设施应用，其中 RS-485 电缆延伸超过数百米。

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图 9. ADM3065E 为超长距离提供卓越的差分信号。 （来源：Analog Devices）

EMC 保护和抗噪性

RS-485 信号具有平衡、差分和固有的抗噪特性。系统噪声均匀地耦合到 RS-485 双绞线电缆中的每条电线。双绞线电缆会导致感应噪声电流以相反方向流动，并且耦合到 RS-485 总线上的电磁场会相互抵消。这降低了系统的电磁敏感性。此外，更大的驱动强度允许更高的通信信噪比 (SNR)。长距离电缆线路，例如地面和无线基站天线之间的数百米，具有增强的 SNR 和出色的信号完整性，可确保准确、可靠地控制天线的倾斜/位置。

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图 10. 无线基础设施电缆长度可以延伸数百米。 （来源：Analog Devices）

如图 1 所示，通过相邻的连接器和电缆直接连接到外部世界的 RS-485 收发器需要 EMC 保护。例如，外露的 RS-485 连接器和编码器到电机驱动器的电缆上的 ESD 是一种常见的系统危害。与可调速电力驱动系统的 EMC 抗扰度要求相关的系统级 IEC 61800-3 标准要求最低 ±4 kV 接触/±8 kV 空气 IEC 61000-4-2 ESD 保护。 ADM3065E 等增强型收发器具有 ±12 kV 接触/±12 kV 空气 IEC 61000-4-2 ESD 保护，超出了这一要求。

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图 11. 完整的 25 Mbps 信号和电源隔离 RS-485 解决方案，具有 ESD、EFT 和浪涌保护。 （来源：Analog Devices）

对于无线基础设施应用，需要增强 EMC 保护以防止破坏性雷电浪涌事件。向收发器输入添加一个 SM712 TVS 和两个 10 Ω 协调电阻可提供增强的 EMC 保护——高达 ±30 kV 61000-4-2 ESD 保护和 ±1 kV IEC 61000-4-5 浪涌保护。

为了提高电气严苛电机控制、过程自动化和无线基础设施应用的抗噪能力，可以添加电流隔离。可以使用 ADI 公司的 i 将具有增强绝缘和 5 kV rms 瞬态耐受电压的电流隔离添加到 ADM3065E 耦合器 ^® 和 iso 电源 ^® 技术。 ADuM231D 提供所需的三个 5 kV rms 信号隔离通道，具有精确的定时性能，可在高达 25 Mbps 的速率下稳健运行。 ADuM6028 隔离式 DC-DC 转换器提供所需的隔离式​​电源，耐受额定值为 5 kV rms。两个铁氧体磁珠用于轻松满足 EMC 合规性标准，例如 EN 55022 Class B/CISPR 22，从而形成 6 mm × 7.5 mm 外形尺寸的紧凑型隔离式 DC-DC 解决方案。

下一代 RS-485 收发器的性能优于行业标准，与标准 RS-485 设备相比，可以实现更远、更快的通信。在 EnDat 2.2 ⁵ 中指定的 10% 抖动水平 , 系统可以在最长 20 m 的电缆上以 16 MHz 时钟速率运行，而标准 RS-485 正在努力满足这一要求。超过 RS-485 总线驱动要求高达 300%，在更长的电缆上提供更好的可靠性和更大的噪声容限。添加i可以提高抗噪能力 耦合器隔离，包括 ADuM231D 信号隔离器，以及业界最小尺寸的隔离电源解决方案 ADuM6028。

参考资料

¹ “PROFINET 和 PROFIBUS 节点数在 2018 年突破 8700 万。” Profibus 集团，2019 年 5 月。

² 康纳尔沃特森。 “LVDS 和 M-LVDS 电路实施指南”。 ADI 公司，2013 年 3 月。

³ “TIA/EIA-485-A，用于平衡数字多点系统的发生器和接收器的电气特性。” IHS Markit Inc.，1998 年 3 月。

⁴ “TIA/EIA-568-B.2，商业建筑电信布线标准——第 2 部分：平衡双绞线布线组件。”电信行业协会，2001 年 5 月。

⁵ “EnDat 2.2——位置编码器的双向接口。”海德汉，2017 年 9 月。