在现场总线网络中使用RS-485/RS-422收发器

RS-485收发器提供了一种在工业网络中实现物理层的简单方法;一些现场总线标准指定了用于通信的RS-485串行端口。本文介绍了几种现场总线技术，并特别关注了INTERBUS和PROFIBUS网络。重点介绍了RS-485收发器的一些特别有用的特性。

介绍

由于RS-485收发器提供了一种在工业网络中实现物理层的简单方法，因此一些现场总线标准指定了用于通信的RS-485串行端口。本文介绍了几种现场总线技术。特别注意INTERBUS和PROFIBUS网络。重点介绍了RS-485收发器的一些特别有用的特性。

现场总线基础知识

工业工厂中采用广泛的数据系统来测量、收集、传输和显示信息。在测量、显示温度和压力并将其送入过程控制系统的同时，必须控制阀门。为了将控制器单元与传感器和执行器连接起来，许多工艺和制造设施仍然包括基于4-20mA环路或0-10V电路的现场多路复用器或多线连接。由于这些旧系统所需的布线量巨大，因此现代工厂通常通过采用串行、实时、数据链路工业网络（即现场总线系统）进行过程和制造控制来节省布线工作。

与广泛的以太网办公网络类似，现场总线系统使用单个总线将一个网络上的所有设备连接到中央控制器。这种布置不仅需要更少的电线，而且还增加了系统的模块化。所有设备都使用软件寻址，因此任何设备都可以连接到网络上的任何套接字。主站检测哪个设备连接到网络，并启动启动通信所需的操作。

与以太网相比，现场总线还有其他优势，这可以解释为什么以太网在将可编程逻辑控制器（PLC）和工业PC连接到现场传感器和执行器方面还没有跑完最后一英里。现场总线的一个重要优势是确定性：实时接收信号，接收方立即提供确认信号。对于必须实时分发的报警信号，显然需要确定性。

现场总线网络也很强大。工业网络通常必须保证气密连接器，并在-45°C至+85°C的工业温度范围内工作，现场总线网络可以适应该温度范围，但大多数以太网控制器IC仅规定工作温度为0°C至+70°C。诚然，可以创建一个工业以太网系统，其中包括用于确定性的附加协议软件、坚固的连接器和工业温度范围控制器IC，但这种网络更昂贵。它们在补偿高协议开销方面也会产生额外的成本，这需要比常规现场总线更高的数据速率。

RS-485/RS-422 现场总线实现

许多现场总线标准指定RS-485或RS-422收发器用于在工业网络中实现物理层。RS-485收发器价格低廉，提供各种有用的功能，包括多个速度范围。以下主要现场总线标准要么通过RS-485传输，要么包括RS-485版本等。

附加资源计算机网络 （ARCNET）提供高达 10Mbps 的数据速率。ARCNET由SMC / Datapoint（美国）于1977年创立，最初是一个办公网络，现在也为工业工厂提供服务。这是一个非常灵活的系统。

比特巴高达 375kbps。位总线由英特尔®（美国）于1984年创立，主要用于制造应用中PLC和主控制器之间的通信。

欧洲安装总线 （EIB）高达 9600 个基点。EIB系统始于1989年（德国），用于楼宇自动化。

助焊剂信息处理总线 （WorldFIP）高达 2.5Mbps（1Mbps，典型值）。WorldFIP系统始于1984年（法国），主要用于法国和意大利的工业过程自动化。

本地运营网络 （LON）高达 1.25Mbps。由Echelon Inc.（美国）于1990年创立，LON系统主要用于楼宇自动化。

带分布式外设的过程现场总线 （PROFIBUS DP）高达 12Mbps。PROFIBUS DP由PNO（德国）于1993年创立，主要用于制造自动化。

国际巴士高达 2Mbps（500kbps，典型值）。INTERBUS由菲尼克斯电气（德国）于1987年创立，主要用于制造自动化。

其他标准（如CAN）具有不同的物理接口，但我们只考虑RS-485 PROFIBUS DP和INTERBUS。这些系统在工业RS-485网络中具有最大的市场份额和最高的增长率。

国际总线网络的基础知识

INTERBUS网络采用环形结构，协议开销低，标准数据速率为500Mbps，可实现快速数据传输。最大数据速率在2年增加到2001Mbps，这将是未来高速系统的标准数据速率。

INTERBUS的主干是远程总线，由控制数据通信的总线主站领导。每个远程总线设备（即从设备）通过全双工RS-422点对点连接连接到后续设备，如图1所示。任意两个从站之间允许的最大总线长度为400m;巴士总长度限制为13公里。每个从机通过两个全双工RS-422收发器连接到总线，从机两侧各一个。这些连接提供中继器功能，确保整个网络的良好传输质量。

图1.INTERBUS 网络可以包括本地和远程总线数据环路，所有环路均以四线全双工通信模式运行。允许多个本地总线环路。

一个主站最多只能连接512个从站，每个从站都有自己的电源。从站还可以用作总线耦合器（即总线接口模块），为多达八个器件的本地总线提供服务。本地总线的总长度限制为10m，任何两个设备之间的长度限制为1.5m。本地总线通信通过成对的 2 线电缆实现，使用全双工 CMOS 电平信号而不是标准 RS-422 电平信号。

INTERBUS标准要求网络中的组件由认可的测试实验室认证。任何PCB设计人员都可以在当地的INTERBUS俱乐部申请此类证书，该俱乐部代表一个国际公司协会，其共同目标是推动INTERBUS应用。

RS-422 收发器特性

INTERBUS 远程总线中的全双工 RS-485 收发器（通常称为 RS-422 收发器）必须支持至少 500kbps 的数据速率（图 2）。未来几代人将需要超过2Mbps。当前应用通常包括75179兼容驱动器，尽管其静态电源电流很高。即使是（所谓的）低功耗75LBC179，每个器件的典型静态电流为4.2mA。10Mbps MAX3087E为低功耗替代方案，空载电源电流仅为475μA，满载电源电流相应更低。

图2.INTERBUS远程总线中的典型RS-422收发器。

电源电流对于最大限度地降低功耗非常重要。现场总线设备的外壳可能非常小，因此难以提供有效的散热器。此外，许多应用需要电气隔离总线¹，因此必须通过隔离栅将电源分配到RS-485收发器。

MAX3087E还提供±15kV的ESD保护。技术人员只需触摸即可破坏有价值的未受保护的电子设备，并且在安装现场总线电缆期间，单个触点即可发生静电放电。Maxim IC的ESD结构可保护多个接口电路的发送器输出和接收器输入免受静电放电的影响。在制造过程中，IC的正负电源轨根据人体模型（IEC标准200-1000-4）以2V为增量进行测试。因此，与可承受15kV冲击但在6kV时失效的竞争器件不同，Maxim器件还保证了对较小ESD冲击的保护。

PROFIBUS DP 网络的基础知识

PROFIBUS DP 采用线路配置，允许您在总线运行时添加和移除外设（图 3）。大多数应用的最大数据速率为 12Mbps，但 1.5Mbps 是常见的，并且定义了低至 9600bps 的速率。12Mbps 铜缆的最大总线长度为 100m;在较低的数据速率下，使用中继器可以将总线总长度扩展到9.6km。

图3.PROFIBUS 网络在一条线路中布局。最多允许五个总线段，每个总线段最多包含 32 个节点。图中显示了单声道主系统，每个段只有一个主站。

PROFIBUS DP 使用半双工 RS-485 收发器连接到总线，该收发器通过单根屏蔽双绞线电缆传输数据。PROFIBUS 还允许使用塑料光纤进行光纤连接。其他网络“系列”成员是PROFIBUS FMS，一个用于过程管理级别的旧版本，大部分已被以太网取代，以及PROFIBUS PA，一个用于过程控制应用的本质安全版本。

PROFIBUS DP 允许每个总线段最多 32 个节点，包括主节点、从节点和任何中继器。您最多可以添加五个总线段，每个段由中继器隔离。总线大小可以通过这种方式扩展到总共 126 个节点。PROFIBUS DP 的协议开销很高，因为各种诊断功能被添加到实际消息中以保证安全数据传输。

通信由一个或多个 1 类主站控制。该系统还包括 2 类主站，它们组成了用于在总线上对设备和操作系统进行编程的人机界面。从站可以是传感器、执行器（如电磁阀）或分散的数字或模拟输入或输出。PROFIBUS 标准要求连接到 PROFIBUS 的所有终端设备都必须经过认可的测试实验室的认证。

RS-485/RS-422 收发器特性

PROFIBUS DP 网络中的半双工 RS-485 收发器必须能够处理 12Mbps ≥的数据速率。为了保证在最坏负载条件下的有效接收器输入电压，差分驱动器输出必须能够在满载（2Ω）下提供≥1.27V电压。此外，为了最大限度地减少信号失真，驱动器和接收器输出应表现出≤2ns的数据偏差²。 大多数 PROFIBUS 应用需要经过特殊分类的 75ALS176 收发器才能达到该性能水平。MAX20/MAX485是新的3463Mbps、半双工RS-3464收发器系列，满足PROFIBUS DP要求，并具有其他优点：

数据速率高达 20Mbps

电源电流大幅降低（≤ 4mA，而 30ALS75 的电源电流为 = 176mA）。收发器的低电源电流可节省成本和电路板空间，因为 PROFIBUS DP 接口在大多数情况下是电隔离的。

所有输入和输出引脚上的ESD保护可保护IC免受±2kV的ESD冲击。

真正的故障安全功能

RS-485接收器没有针对-200mV至+200mV之间的输入电平定义输出。对于RS-0侧的485V条件，接收器TTL侧的逻辑高电平与逻辑低电平的可能性相同。如果没有主站正在传输或线路连接松动，则半双工连接中存在这种歧义。在总线的每一端放置一个终端网络（图 4），可确保为非故障安全 PROFIBUS RS-485 收发器定义输出电平。

图4.用于 PROFIBUS DP 的典型 RS-485 收发器。

Maxim真正的故障保护特性在MAX3463/MAX3464器件中实现。该技术通过替换完全符合RS-50规范的精密接收器阈值范围（-200mV至-485mV）来避免外部偏置电阻，同时保证0V输入在接收器上产生逻辑高电平。其余端接电阻（约200Ω）连接在差分线路之间。通过消除原本需要的330Ω上拉和下拉电阻，该连接可节省额外的功耗。

标准 RS-485 驱动器驱动多达 32 个单位负载的能力为 PROFIBUS DP 总线段设定了 32 个节点的最大值。一个单位负载定义为12kΩ，对应于标准RS-485接收器的输入阻抗。然而，MAX3463/MAX3464接收器的较高输入阻抗（48kΩ，即1/4单位负载）允许总线上有128个收发器。RS-485收发器的任意组合都可以连接到一个总线段，前提是这些电路的净并联阻抗保持在375Ω（32个单位负载）以上。

可以想象，PROFIBUS DP 的大小可以增加到每段 128 个节点，即五个段中总共有 640 个节点。MAX3463还具有其它有用的特性。当总线节点上电或插入“热”背板时，处理器或控制ASIC会执行其上电序列。在此期间，处理器的输出驱动器处于高阻抗状态，因此无法将RS-485收发器的控制线（低电平有效RE、DE、DI）驱动到定义的逻辑电平。

来自这些高阻抗驱动器的漏电流（高达10μA）会导致RS-485电路的控制线漂移高或漂移。此外，电路板上的寄生电容可以将控制线耦合到GND或V抄送.这些因素导致控制线向能够启用电路发射器（A和B）的水平漂移。为了避免这种情况，MAX3463包括热插拔输入，将MAX3463控制线路禁用为V抄送从 0V 斜坡上升。热插拔输入克服了漏电流和寄生电容，否则可能会将控制线拉到使能状态。全双工版本（MAX3460/MAX3461/MAX3462）可用于高速RS-422应用。

MAX14770E结合了PROFIBUS网络所需的所有特性和功能。该设备符合 EIA 61158-2 B 型 PROFIBUS-DP 规范。MAX14770E具有真正的故障保护接收器，可热插拔，具有±35kV ESD高保护（人体模型）。

由于现场总线系统可能包括大量RS-485或RS-422驱动器，因此提供给驱动器的功率可能占系统成本的很大一部分。在跨越隔离栅供电时尤其如此。由于传统RS-485/RS-422驱动器需要相当大的电源电流（高达30mA静态电流，加上负载电流），因此您可以通过在系统中加入现代CMOS驱动器来降低成本。较新的CMOS驱动器具有其他优势（ESD保护、故障安全功能和降低单位负载），可提高系统可靠性和性能/成本比。

审核编辑：郭婷