揭开 PROFIBUS-DP 的物理层

PROFIBUS-DP（分布式外围设备）现场总线标准已经存在了二十多年，然而，物理层要求仍不清楚，经常导致收发器定义混乱。然而，任何模糊性显然都没有阻止 PROFIBUS 成为非常成功的现场总线解决方案，全球安装了超过 5000 万台设备。随着新系统的部署，设计工程师知道他们使用的收发器设计用于对 PROFIBUS-DP 标准进行最新和最准确的解释，这一点很重要。

PROFIBUS-DP（分布式外围设备）基础知识

更快、更简单的 PROFIBUS-DP 标准诞生于 1993 年，源自更慢、更复杂的 PROFIBUS FMS（现场总线消息规范）父标准。PROFIBUS-DP 还有一个更年轻、不太流行的同级或衍生标准 PROFIBUS-PA（过程自动化），它使用曼彻斯特总线供电 (MBP) 传输并通过总线供电，非常适合危险环境中的本质安全应用。但 PROFIBUS-DP 是当今使用最广泛的 PROFIBUS 版本，因为它具有即插即用的特性、灵活性和成本效益。从工业工厂中传感器和执行器的管理到与铁路站场中的流量计通信，以及各种机器人应用，PROFIBUS-DP 将 I/O 卡（主站）从控制器分散到更靠近传感器和执行器（从站）的位置,

PROFIBUS-DP 可以通过多种介质进行通信，包括铜线、光纤，甚至红外通信器中的空气。到目前为止，PROFIBUS-DP 主站和从站最常用的位传输介质（ISO/OSI 模型的第 1 层）是使用 RS485 收发器的双绞线。考虑到 RS485 的高速差分信号和在嘈杂环境中远距离多个设备之间的稳健通信，这并不奇怪。多个主站，例如 PLC（可编程逻辑控制器），可以在线性拓扑中每段连接到 30 个从站。使用集线器（并行段）或中继器（串行段）可以将网络扩展到 124 个从站。段必须在两端使用主动终止来终止。所有从机都可以热插拔到总线中，

95% RS485，5% 混乱

PROFIBUS-DP 采用了大部分 TIA/EIA-485-A RS485 标准，但确实做了一些更改，由于较大的系统问题可能会被意外忽略。因此，与普遍看法相反，并非所有 RS485 收发器和电缆都适用于 PROFIBUS-DP 网络。布线、终端、信号名称和驱动器要求方面确实存在差异；太快忽略这些差异很容易使您的主设备或从设备的性能（或更糟的是，认证）付出代价。

虽然 RS485 标准没有指定布线要求，但 120-Ω 屏蔽双绞线已成为常规建议。然而，PROFIBUS-DP 推荐使用 150-Ω 屏蔽双绞线。不幸的是，120 Ω 不能近似为 150 Ω，而且电缆阻抗的这种微小差异实际上需要使用不同的电缆。PROFIBUS-DP 还规定了最大电缆长度，这取决于使用 10 个波特率“步长”中的哪一个，范围从 9.6 kbits/s 的 1,200 m 到 12 Mbits/s 的 100 m。

当然，不同的电缆阻抗要求会带来不同的端接要求。为了最大限度地减少信号反射，RS485 安装通常在总线两端使用单个 120-Ω 终端电阻，而 PROFIBUS-DP 建议在总线两端使用 171-Ω 终端网络。等等，是不是打错字了？PROFIBUS-DP 推荐 171-Ω，因此与推荐电缆的 150-Ω 特性阻抗不匹配？绝对地。图。1 显示了用于 PROFIBUS-DP 的电缆和终端网络与 RS485 的不同之处。您可以看到两个 390-Ω 总线偏置电阻与 220-Ω 终端电阻一起使用；差分电阻为 171 Ω。这显然不是 150-Ω 电缆的完美匹配，导致网络阻尼稍显不足。但是，请不要担心，因为这表明它只是电缆接收端信号电压的一个小凸起或增加，其持续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。

如果电缆/终端不匹配还不够，那么 PROFIBUS 收发器上总线引脚的命名应该会进一步打破您的期望。您可能已经注意到图 1中使用的相反引脚名称. 在大多数通用 RS485 收发器中，引脚 A 是同相接收器输入（和同相驱动器输出），引脚 B 是反相，相对于接收器输出和驱动器输入。但是，PROFIBUS 标准以这样一种方式描述总线极性，即引脚 B 和 A 正好相反。为什么不一致？最初的 TIA/EIA-485-A 标准没有明确定义与逻辑信号功能相关的总线极性，因此 RS485 IC 设计人员几乎总是以一种方式解释规范，而其他人则以另一种方式解释。这对您意味着什么，特别是如果您同时拥有 RS485 和 PROFIBUS-DP 项目，那么在将收发器总线引脚映射到连接器时必须密切注意。

根据现有的定义不明确的收发器的数量，差分驱动器输出电压 (V OD ) 可能是 PROFIBUS-DP 物理层中最被误解或忽略的规范。RS485 规定 A 和 B 线之间的 V OD 应为 1.5 至 5 V，峰值差分，在 A 和 B 之间使用 54-Ω 电阻器在驱动器端子处测量。PROFIBUS-DP 规定 V OD 应为 4 至7 V，峰峰值差分，在电缆的远端测量，每端都有终端。

一个常见的误解是，如果 RS485 驱动器只是在 54-Ω 负载上产生超过 2.1 V 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，这并不总是正确的。RS485 驱动器的强度可能过高并超过 7-V PP PROFIBUS-DP 限制。请注意所有常见的“PROFIBUS”兼容 RS485 收发器，它仅指定 V OD 最小值（即 2.1 V）而没有最大值。确保 PROFIBUS-DP V OD 符合性的最佳方法是使用 PROFIBUS 负载测试收发器。

图 2 显示了如何使用 PROFIBUS-DP 负载和一些串联电阻来测试 LTC2877 坚固型 PROFIBUS RS485 收发器以模拟电缆损耗，其中 V OD （蓝色曲线）是从“电缆末端”（ A' 和 B') 以确保真正满足 PROFIBUS-DP 规范。LTC2877 还针对 RS485 负载进行了全面测试，以确保 V OD 与这两种标准兼容。

图 2：使用 PROFIBUS-DP 负载测试 LTC2877 差分输出电压 (VOD)。

保护 PROFIBUS-DP

TIA/EIA-485-A 标准在对抗噪声、故障、ESD、瞬变（电快速瞬变）或浪涌方面的规定非常少，因此收发器制造商和设计人员可以自行实施电气保护。虽然保护要求因应用而异，但一些收发器，包括图 3中所示的 LTC2877 ，能够以高水平的保护满足所有市场要求。

图 3：LTC2877 收发器提供多级保护。

TIE/EIA-485-A 标准规定网络上两个设备之间的接地偏移可高达 –7 至 +12 V。但是，许多 PROFIBUS-DP 安装可能会遇到远高于此的电压，这可能会导致严重的损坏 PROFIBUS-DP 收发器。PROFIBUS 常用于 24V 系统，其中将“标准”RS485 设备短接到 24V 可能是致命的。设计人员应该需要一个具有 –25 至 +25 V 扩展共模范围的接收器。用受 ±60 V 保护的 LTC2877 代替通常的 PROFIBUS-DP 收发器可以消除由于过压故障而导致的现场故障，而无需昂贵的外部保护。因为 PROFIBUS-DP 收发器实际上是系统的第一道防线，所以它们需要能够保护自己免受各种级别的 ESD 冲击。一些 PROFIBUS 收发器在未通电时在其总线引脚上受到 15 kV ESD 保护；其他产品（例如 LTC2877）提供相对于地或任一电源的 ±26kV HBM ESD 保护，而不会发生闩锁或损坏、未通电或通电以及在任何操作模式下。此外，总线引脚在未通电时受到保护，可防止 ±52kV 对地冲击。

另一种形式的电气过应力是 EFT，根据 IEC 61000-4-4 EFT 标准，它是持续 60 秒的高压尖峰脉冲。这种类型的过应力通常是开关和继电器中的电弧触点造成的，这在使用机电开关连接和断开感应负载的工业环境中很常见。他们应确保所选收发器符合 IEC 61000-4-4 最高级别，即 4 级，相当于总线引脚上的 2 kV 开路电压。

也许最严重的电气过载形式是大自然以闪电形式提供的浪涌。因此，像 LTC2877 这样的微型收发器 IC 不具备针对这种量级电涌的固有保护也就不足为奇了。相反，外部浪涌保护组件，包括 MOV、TVS 二极管、TSPD（晶闸管浪涌保护器件）和 GDT（气体放电管），通常用于以任何方式暴露于元件的 PROFIBUS-DP 系统中。LTC2877 无法单独抵御雷击，但其 ±60V 的高引脚额定值使得很容易找到能够提供这种保护水平的外部保护组件。

审核编辑  黄昊宇