使用现场总线更快、更远

作者：Neil Quinn and Richard Anslow

PROCENTEC等行业专家展示了基于RS-485的现场总线技术（PROFIBUS）采用和工业以太网（PROFINET）快速增长的稳步增长。2018年，全球安装了6100万个PROFIBUS现场总线节点，其中PROFIBUS过程自动化（PA）同比增长7%。PROFINET 的安装基础为 2600 万个节点，仅在 2018 年就安装了 510 万台设备。

随着RS-485现场总线采用率的稳步增长和工业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，那么性能下降实际上意味着机器吞吐量质量降低和工厂生产率降低。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，都需要不同级别的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。

图1.RS-485的EMC、数据速率和电缆长度。

对于这些要求苛刻的应用，需要仔细检查电缆上的RS-485收发器定时性能，以确保可靠的系统以及EMC表征。本文介绍了一些关键的系统定时和通信电缆概念;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ADM3065E/ADM3066E RS-485收发器的工业应用的优势。

定时性能

当考虑在长电缆上以高数据速率进行可靠的数据传输时，时序性能概念（例如抖动和偏斜（通常与低压差分信号（LVDS）有关）对于RS-485变得非常重要。需要检查RS-485收发器和系统电缆增加的抖动和歪斜。

抖动和偏斜

抖动可以量化为时间间隔误差;信号转换的预期到达时间与实际转换到达时间之间的差异。在通信链路中，抖动有多种因素。每个贡献者都可以被广义地描述为随机或确定性。随机抖动可以从其高斯分布中识别出来，并且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源;例如，占空比失真、串扰、周期性外部噪声源或码间干扰。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主导随机效应。

峰峰值抖动值是确定性来源产生的总系统抖动的有用度量。峰峰值抖动可以通过在同一显示器上叠加大量信号转换（通常称为眼图）在时域中检查。这可以在使用无限持久性的示波器显示器上实现，也可以使用示波器的内置抖动分解软件来实现，如图 2 所示。2

图2.时间间隔误差、抖动和眼图。

叠加过渡的宽度是峰到峰值抖动，中间的开放区域称为眼图。该眼图是接收节点在长RS-485电缆远端可用采样的区域。更大的眼图宽度为接收节点提供了更宽的采样窗口，并降低了错误接收位的风险。可用的眼图主要受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。

图3显示了通信网络中的各种抖动源。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斜和码间干扰。脉冲偏斜，也称为脉冲宽度失真或占空比失真，是收发器在发射和接收节点引入的一种确定性抖动形式。脉冲偏斜定义为信号上升沿和下降沿之间的传播延迟之差。在差分通信中，这种偏斜会产生不对称的交叉点，并在传输的 0 和 1 的持续时间之间产生不匹配。在时钟分配系统中，过大的脉冲偏斜表现为发射时钟占空比的失真。在数据分配系统中，这种不对称性增加了眼图中观察到的峰峰值抖动。在这两种情况下，过度的脉冲偏斜都会对通过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。

图3.RS-485通信网络中抖动的主要因素。

当信号边沿的到达时间受到经过该边沿的数据模式的影响时，就会发生码间干扰（ISI）。码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网络的关键贡献者。较长的互连会产生一个RC时间常数，其中电缆电容在单个比特周期结束时尚未完全充电。在传输的数据仅由时钟组成的应用中，不存在这种形式的码间干扰。码间干扰也可能由电缆传输线上的阻抗不匹配、线路短截线或端接电阻器使用不当引起。具有高输出驱动强度的RS-485收发器通常有助于将ISI效应降至最低，因为它们需要更少的时间来为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，通常使用10%抖动来基准测试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程度地减少收发器脉冲偏斜和码间干扰效应，可实现更可靠、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发射器和接收器的设计和工作范围规格，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（包括偏斜和抖动）未在 TIA-485-A/EIA-485-A 标准中指定，由 IC 供应商根据产品数据手册规范进行优化。

其他标准，如 TIA-568-B.2/EIA-568-B.2，双绞线布线的电信标准4提供电缆交流和直流对RS-485信号质量的影响的背景。该标准提供了抖动、偏斜和其他时序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 类电缆倾斜为每 100 m 45 ns。 ADI公司应用笔记AN-1399更详细地讨论了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。

虽然现有的标准和产品数据手册提供了有用的信息来源，但任何有意义的系统时序性能表征都需要在长电缆上测量RS-485收发器。

通过RS-485更快、更远地通信

ADM3065E RS-485收发器具有超低发射器和接收器偏斜性能，这使得这些器件非常适合传输精密时钟，而精密时钟通常在EnDat 2.2等电机编码标准中具有这种特性。5经证明，ADM3065E在电机控制应用中遇到的典型电缆长度（图4和图5）的确定性抖动不到5%。ADM3065E的宽电源范围意味着这种时序性能水平适用于需要3.3 V或5 V收发器电源的应用。

图4.ADM3065E典型时钟抖动性能

图5.ADM3065E接收眼图：25 MHz时钟分布在100 m电缆上。

除了出色的时钟分配外，ADM3065E的定时性能还具有可靠的数据分配，具有高速输出和最小的附加抖动。图6显示，通过使用ADM3065E，RS-485数据通信通常引用的时序限制大大放宽。标准RS-485收发器通常以10%或更低的抖动工作。ADM3065E可以在长达100米的电缆上以大于20 Mbps的速度工作，并且在接收节点上仍保持10%的抖动。这种低抖动水平降低了接收数据节点错误采样的风险，并提高了以前使用典型RS-485收发器无法实现的传输可靠性。在接收节点可以承受高达 20% 的抖动水平的应用中，跨 100 m 电缆线路可实现高达 35 Mbps 的数据速率。

图6.ADM3065E接收数据节点具有出色的抖动性能。

这种时序特性使ADM3065E成为电机控制编码器通信接口的理想选择。对于使用 EnDat 2.2 编码器协议传输的每个数据包，数据与时钟边沿下降同步传输。图7显示，在初始计算绝对位置（T卡尔).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在长距离电缆上成功发出位置和错误信号至关重要，EnDat 2.2 规定最大抖动为 10%。EnDat 2.2 规定了在 20 m 电缆上以 16 MHz 时钟速率的最大操作。图4显示，ADM3065E仅5%时钟抖动即可满足这一要求，图6显示ADM3065E满足数据传输的抖动要求，而标准RS-485收发器则不满足。

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）。

ADI公司对ADM3065E收发器特性的表征具有优于电缆的时序性能，可确保系统设计人员获得必要的信息，使设计成功设计符合EnDat 2.2规范。

通过更长的电缆实现更高的可靠性

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 标准3需要兼容的RS-485驱动器，以在满载网络中产生至少1.5 V的差分电压幅度VOD。这款 1.5 VOD 允许在长电缆长度上实现 1.3 V 的电压直流衰减，RS-485 接收器的额定输入差分电压至少为 200 mV。ADM3065E在5 V供电时输出至少2.1 V的VOD，超出RS-485规格要求。

满载RS-485网络相当于一个54 Ω差分负载，它模拟由两个120 Ω电阻组成的双端接总线，另外750 Ω代表1单位负载或12 kΩ的32个连接器件。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化VOD，超越TIA-485-A/EIA-485-A的要求。图8显示，ADM3065E采用3.3 V电源供电时超出RS-485标准的驱动要求>210%，采用5 V电源轨供电时超出>300%。这使得ADM3065E系列能够与常规RS-485收发器相比，与更多的远程节点和更高的噪声容限进行进一步通信。

图8.ADM3065E在宽电源范围内超越RS-485驱动要求。

图9进一步说明了在超过1000米电缆的典型应用中的这一点。通过标准AWG 24电缆进行通信时，ADM3065E比标准RS-485收发器好30%，接收节点的噪声容限高30%，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。

图9.ADM3065E为超长距离提供出色的差分信号。

电磁兼容保护和抗噪性

RS-485信令具有平衡、差分和固有的抗噪声功能。系统噪声平均耦合到RS-485双绞线电缆中的每根电线。双绞线布线导致感应噪声电流向相反方向流动，耦合到RS-485总线上的电磁场相互抵消。这降低了系统的电磁敏感性。此外，增强型ADM3065E 2.1 V驱动强度可在通信中实现更高的信噪比（SNR）。在长距离电缆中，例如无线基站的地面和天线之间数百米的距离，具有增强的SNR以及出色的信号完整性，可确保天线的准确可靠的倾斜/位置控制。

图 10.无线基础设施电缆长度可以延伸数百米。

如图1所示，RS-485收发器需要EMC保护，这些收发器通过相邻的连接器和电缆直接连接到外部世界。例如，裸露的RS-485连接器上的ESD以及编码器到电机驱动器的电缆是一种常见的系统危险。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标准要求至少需要±4 kV接触/ ±8 kV空气IEC 61000-4-2 ESD保护。ADM3065E具有±12 kV接触/±12 kV空气IEC 61000-4-2 ESD保护，超过了这一要求。

对于无线基础设施应用，需要增强的EMC保护，以防止破坏性的雷电浪涌事件。在ADM3065E输入端增加一个SM712 TVS和两个10 Ω协调电阻可提供增强的EMC保护，具有高达±30 kV 61000-4-2 ESD保护和±1 kV IEC 61000-4-5浪涌保护。

为了提高电气苛刻的电机控制、过程自动化和无线基础设施应用的抗噪性，可以增加电流隔离。ADM3065E具有增强绝缘和5 kV rms瞬态耐受电压的电流隔离功能，可采用ADI公司的i耦合器和iso电源技术添加到ADM3065E中。ADuM231D提供所需的3个通道5 kV rms信号隔离，具有精密时序性能，可在高达25 Mbps的速率下实现鲁棒工作。ADuM6028隔离式DC-DC转换器提供所需的隔离电源，额定耐受值为5 kV rms。两个铁氧体磁珠可轻松满足 EN 55022 B/CISPR 22 等 EMC 合规标准，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。®®

图 11.完整的 25 Mbps 信号和电源隔离 RS-485 解决方案，具有 ESD、EFT 和浪涌保护功能。

结论

ADI公司的ADM3065E RS-485收发器性能优于行业标准，与标准RS-485器件相比，通信速度更快。在 EnDat 2.2 中指定的 10% 抖动水平下5，ADM3065E允许用户在最长20 m的电缆上以16 MHz时钟速率工作，而标准RS-485难以满足这一要求。ADM3065E比RS-485总线驱动要求高出300%，在更长的电缆上提供更好的可靠性和更大的噪声容限。通过增加耦合器隔离（包括ADuM231D信号隔离器）和业界尺寸最小的隔离电源解决方案ADuM6028，可以提高抗噪性。

审核编辑：郭婷