揭开 PROFIBUS-DP 物理层的面纱

作者：Christopher Gobok，产品市场工程师，混合信号产品部，凌力尔特公司

引言

PROFIBUS-DP （分布式外设） 现场总线标准已经存在了 20 多年，可是，物理层的要求可能仍然不明朗，这常常导致在收发器定义中出现混淆紊乱的情况。 不过，任何含糊不清显然并未阻止 PROFIBUS 成为一种成功 （也许是最成功） 的现场总线解决方案，在世界各地安装的设备数量已超过了 5，000 万部。

当部署新的系统时，需要知道所使用的收发器是按照 PROFIBUS-DP 标准最新和准确的解释设计的，这一点是很重要。凌力尔特的 LTC2877 PROFIBUS-DP 接收器可应对此类需求，其采取了真正坚持执行最新 IEC 61158-2 PROFIBUS-DP 标准，并增添了极致的保持机制，从而提升了新的主控设备和受控设备的兼容性和可靠性。

PROFIBUS-DP 基础知识

较快、较简单的 PROFIBU-DP 标准是在 1993 年从较慢、较复杂的 PROFIBUS FMS （现场总线报文规范） 父代标准的基础上诞生的。PROFIBU-DP 也有一个“更年轻的兄弟”或衍生的标准 PROFIBUS-PA （过程自动化），该标准采用曼彻斯特编码总线供电 （MBP） 传输，增加了总线供电功能，使其非常适合危险环境中的本质安全应用。除此以外，PROFIBUS-DP 也是目前使用最广泛的 PROFIBUS 版本，这很可能是因为其即插即用基本特征、灵活性和成本效益性在大多数现场总线应用中具有吸引力。从工业工厂中传感器和执行器的管理，到与铁路站场上流量计的通信，PROFIBUS-DP 使 I/O 卡 （主控器） 与控制器分散并让它们更靠近传感器和执行器 （受控器），从而给安装和操作带来了许多好处。

PROFIBUS-DP 能通过多种媒体进行通信，包括铜线、光纤、甚至空气 （在红外线通信装置中）。到目前为止，PROFIBUS-DP 主控器和受控器最常用的位元传输 （ISO/OSI 模型的第一层） 媒体是双绞线，它连接着采用 TIA/EIA-485-A （RS485） 收发器进行通信的设备。考虑到 RS485 的高速差分信号传输能力以及可在工厂应用等噪声环境中通过长距离完成多部设备之间的坚固型通信，这并不令人惊讶。在线性拓扑中，使用 RS485 收发器的多个主控器，例如 PLC （可编程逻辑控制器），每个段可连接 30 个受控器，在这种拓扑中，使用集线器 （并行段） 或中继器 （串行段） 可将网络扩展为连接 124 个受控器。每个段必须采用有源终端在两端进行终接。所有的受控器均可热交换到总线，而且它们的位置无关紧要，因为每个受控器都被分配了唯一的网络地址。

95% RS485，5% 混杂

PROFIBUS-DP 采用了大部分的 TIA/EIA-485-A （RS485） 标准，但确实做了少量的改动，这些改动会由于较大的系统问题而被意外忽略。因此，与人们普遍相信的情况相反，并非所有的 RS485 收发器和电缆都适合 PROFIBUS-DP 网络，反之亦然。电缆布线、终接、信号名称和驱动器要求方面的差异的确存在；过于仓促地拒绝考虑这些差异有可能容易地让您在主控设备或受控设备的性能 （或更糟，包括认证） 方面付出代价。

虽然 RS485 标准并未规定任何特殊的电缆布线要求，但是 120Ω 屏蔽双绞线已经成为了通常的推荐方案。然而，PROFIBUS-DP 则推荐使用 150Ω 屏蔽双绞线。不幸的是，120Ω 不能近似为 150Ω，而这细小的电缆阻抗差异实际上导致必需采用不同的 （而且在大多数场合中还是新的） 电缆。另外，PROFIBUS-DP 还规定了一个最大电缆长度，该长度取决于所使用的是 10 种波特率 “步幅” 中的哪一种 （从 9.6kbps 时的 1200m 到 12Mbps 时的 100m）。

当然，电缆阻抗要求不同，终端要求便随之不同。为最大限度减少信号反射，RS485 装置通常在总线的两端都采用单个 120Ω 终端电阻器，而 PROFIBUS-DP 则建议在总线的两端采用一个 171Ω 终端网络。等一下，这是不是打字错误了？……PROFIBUS-DP 推荐使用一个 171Ω 终端网络，因此与同样由它推荐的 150Ω 电缆特征阻抗就不匹配了？ 正是如此！图 1 示出了 PROFIBUS-DP 所用的电缆和终端网络与 RS485 存在怎样的不同。由图可见，PROFIBUS-DP 采用了两个 390Ω 总线偏置电阻器连同 220Ω 终端电阻器；该终端网络的有效差分电阻为 171Ω，这显然与 150Ω 电缆并不是完全匹配，因而形成了一个轻微欠阻尼的网络。但是不要担心，因为在电缆的接收端这把其自身呈现为仅仅是信号电压的一个小幅凸起 （即增加），而持续的时间是电缆传播延迟的两倍。

图 1：RS485 和 PROFIBUS-DP 网络中的电缆、终端和引脚差异

假如电缆 / 终端失配还不够，那么 PROFIBUS 收发器上总线引脚的命名应该进一步打碎您的期望。您可能已经注意到图 1 中使用相反的引脚名称。在大多数通用型 RS485 收发器中，引脚 A 是同相接收器输入 （和同相驱动器输出），而引脚 B 则是反相接收器输入 （和反相驱动器输出），这相对于接收器输出和驱动器输入。然而，PROFIBUS 标准描述总线极性的方式使引脚 B 和 A 与上面的 RS485 恰好相反。为什么不一致呢？ 原始的 TIA/EIA-485-A 标准在其相对于逻辑信号功能的总线极性定义中有不明确的地方，所以 RS485 IC 设计师几乎总是以一种方式解释规范，而其他人则以不同的方式解释。这对您来说意味着什么呢？ 尤其当您同时拥有 RS485 和 PROFIBUS-DP 项目时，那就是在把收发器总线引脚映射到连接器时必需特别注意。

根据现成有售定义不明确收发器的数量来看，差分驱动器输出电压 （VOD） 也许是 PROFIBUS-DP 的物理层中误解最大 （或者最有意忽略的） 规格指标。RS485 规定 A 和 B 线之间的 VOD 应为 1.5V 至 5V （峰值差分，利用一个介于 A 和 B 之间的 54Ω 电阻器在驱动器端子上测量）。然而，PROFIBUS-DP 则规定 VOD 应为 4V 至 7V （峰至峰差分，在电缆的远端上测量，而且在电缆的每一端上具有终端）。显然，这些要求是大相径庭的。

一种常见的误解是：如果一个 RS485 驱动器简单地在一个 54Ω 负载两端产生高于 2.1V 的电压，那么当与 PROFIBUS-DP 终端网络一起使用时，它将满足 PROFIBUS-DP 的要求。然而，情况并非总是如此。RS485 驱动器的强度可能过高并超过 7VPP PROFIBUS-DP 限值。换言之，要注意再普通不过的 “PROFIBUS” 兼容型 RS485 收发器只规定了一个 VOD 最小值 （即：2.1V），而没有规定最大值。确保 PROFIBUS-DP VOD 相符性的最佳方法是利用一个 PROFIBUS 负载来测试收发器。图 2 示出了怎样利用一个 PROFIBUS-DP 负载和一些串联电阻 （以模拟电缆损耗） 来测试 LTC2877 坚固型 PROFIBUS RS485 收发器，图中的 VOD （蓝色曲线） 是利用在 “电缆的末端” （A’ 和 B’） 采集的测量数据生成的，以确保真正地满足了 PROFIBUS-DP 规范要求；另外，LTC2877 也利用 RS485 负载进行了全面测试，以确保 VOD 与这两种标准的兼容性。

图 2：采用一个 PROFIBUS-DP 负载来测试 LTC2877 差分输出电压 （VOD）

保护 PROFIBUS-DP

当谈到减轻噪声、故障、静电放电 （ESD）、电性快速瞬变 （EFT） 或浪涌时，TIA/EIA-485-A 标准所做的规定非常之少，这就为收发器制造商和系统设计师实施他们自己的保护方法留出了空间。尽管这样具有灵活性，但是人们都对严酷环境所造成的危害太熟悉了 （电缆必须经常蜿蜒穿梭其中），并且期待在 PROFIBUS-DP 收发器中拥有某种最低限度的内置保护功能。虽然保护要求因应用而异，可是 LTC2877 （示于图 3） 凭借异常高的电气保护等级单枪匹马地全面满足了市场要求。

图 3：LTC2877 提供多种保护等级

TIA/EIA-485-A 标准规定：一个网络上两部设备之间的接地漂移在操作过程中可大至 –7V 至 +12V。不过，许多 PROFIBUS-DP 装置会容易地遇到远大于此的电压，倘若这些总线电压被超过了哪怕几伏，普通的 PROFIBUS-DP 收发器也会因此受到严重的损坏。PROFIBUS 常用于 24V 系统，在此类系统中把 “标准的” RS485 设备短接至 24V 可能是致命的。LTC2877 中的接收器具有一个 –25V 至 +25V 的扩展共模范围，从而使 LTC2877 能够安全经受大的共模电压，并且不受干扰地继续传输和接收数据。过压容差有限的收发器使得难以在不干扰适当数据网络性能的情况下实现有效的外部保护网络。用具有 ±60V 过压保护功能的 LTC2877 替代常见的 PROFIBUS-DP 收发器能够容易地消除由于过压故障引起的现场失效，并不需要采用昂贵的外部保护器件。

不言而喻，PROFIBUS-DP 收发器确实是系统的第一道防线，而且必需能够保护他们自身免受各种不同级别电过应力的损坏，特别是最常遇到的形式，即 ESD 冲击。虽然某些 PROFIBUS 收发器在未通电时在其总线引脚上提供了至 15kV 的 ESD 保护，但是 LTC2877 上的总线引脚则在未通电或通电以及任何操作模式中提供了 ±26kV HBM 保护等级 （相对于地或任一个电源），并不会发生锁断或损坏情况。此外，当未通电时，还为总线引脚提供了针对 ±52kV 巨大对地电压的保护作用。这种令人印象深刻的 ESD 保护等级仅仅是 LTC2877 坚固性的一个证明。

电过应力的另一种形式是 EFT，根据 IEC 61000-4-4 EFT 标准，EFT 是持续时间为 60s 的高电压尖峰脉冲串。此类过应力通常是开关和继电器中的电弧接触点引起的，在使用机电开关连接和断接电感负载的工业环境中这是常见的。LTC2877 可满足 IEC 61000-4-4 的最高严重程度要求 （其为 level 4），这相当于总线引脚上的 2kV 开路电压。

也许最严重的电过应力形式是大自然以闪电形式传送的电涌，单个闪电能够携带高达 50 亿焦耳的能量。那么，像 LTC2877 这样的纤巧型收发器 IC 不具备针对这种量级之电涌的固有保护能力也就不足为奇了。取而代之的是，在暴露于各种恶劣环境的 PROFIBUS-DP 系统中通常使用外部浪涌保护组件，包括 MOV （金属氧化物变阻器）、TVS （瞬态电压抑制） 二极管、TSPD （晶闸管浪涌保护器件） 和 GDT （气体放电管）。而且，虽然 LTC2877 靠单击独奏将无法成功地防护闪电冲击，但是其很高的 ±60V 引脚额定电压使之可容易地找到能够提供这种保护等级的外部保护组件。

结论

可以毫不讳言地说，PROFIBUS-DP 因其诸多出众的品质将在一段时间里身居现场总线通信的王者地位。采用凌力尔特的 LTC2877 进行设计提供了一种平静的心态，那就是您将保持与当今最新规范的相符和同步。一旦对 PROFIBUS 规范有了更深入的了解，就会发现其他声称符合该规范的收发器常常有差强人意之处。LTC2877 正确地解释了 RS485 和 PROFIBUS-DP 之间所有细微、但是重要的差异，包括驱动器的强度。此外，LTC2877 还实现了多种保护机制 （包括极其坚固的 ESD 防护单元），以提供针对各种各样威胁的保护作用。论证一款 PROFIBUS-DP 原型从未如此容易。