揭開PROFIBUS-DP 物理層的面紗

引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201809/389169.htm

PROFIBUS-DP (分布式外設) 現場總線標準已經存在了 20 多年，可是，物理層的要求可能仍然不明朗，這常常導致在收發器定義中出現混淆紊亂的情況。 不過，任何含糊不清顯然並未阻止 PROFIBUS 成為一種成功 (也許是最成功) 的現場總線解決方案，在世界各地安裝的設備數量已超過了 5,000 萬部。

當部署新的系統時，需要知道所使用的收發器是按照 PROFIBUS-DP 標準最新和準確的解釋設計的，這一點是很重要。凌力爾特的 LTC2877 PROFIBUS-DP 接收器可應對此類需求，其採取了真正堅持執行最新 IEC 61158-2 PROFIBUS-DP 標準，並增添了極致的保持機制，從而提升了新的主控設備和受控設備的兼容性和可靠性。

PROFIBUS-DP 基礎知識

較快、較簡單的 PROFIBU-DP 標準是在 1993 年從較慢、較複雜的 PROFIBUS FMS (現場總線報文規範) 父代標準的基礎上誕生的。PROFIBU-DP 也有一個「更年輕的兄弟」或衍生的標準 PROFIBUS-PA (過程自動化)，該標準採用曼徹斯特編碼總線供電 (MBP) 傳輸，增加了總線供電功能，使其非常適合危險環境中的本質安全應用。除此以外，PROFIBUS-DP 也是目前使用最廣泛的 PROFIBUS 版本，這很可能是因為其即插即用基本特徵、靈活性和成本效益性在大多數現場總線應用中具有吸引力。從工業工廠中傳感器和執行器的管理，到與鐵路站場上流量計的通信，PROFIBUS-DP 使 I/O 卡 (主控器) 與控制器分散並讓它們更靠近傳感器和執行器 (受控器)，從而給安裝和操作帶來了許多好處。

PROFIBUS-DP 能通過多種媒體進行通信，包括銅線、光纖、甚至空氣 (在紅外線通信裝置中)。到目前為止，PROFIBUS-DP 主控器和受控器最常用的位元傳輸 (ISO/OSI 模型的第一層) 媒體是雙絞線，它連接著採用 TIA/EIA-485-A (RS485) 收發器進行通信的設備。考慮到 RS485 的高速差分信號傳輸能力以及可在工廠應用等噪聲環境中通過長距離完成多部設備之間的堅固型通信，這並不令人驚訝。在線性拓撲中，使用 RS485 收發器的多個主控器，例如 PLC (可編程邏輯控制器)，每個段可連接 30 個受控器，在這種拓撲中，使用集線器 (並行段) 或中繼器 (串行段) 可將網絡擴展為連接 124 個受控器。每個段必須採用有源終端在兩端進行終接。所有的受控器均可熱交換到總線，而且它們的位置無關緊要，因為每個受控器都被分配了唯一的網絡地址。

95% RS485，5% 混雜

PROFIBUS-DP 採用了大部分的 TIA/EIA-485-A (RS485) 標準，但確實做了少量的改動，這些改動會由於較大的系統問題而被意外忽略。因此，與人們普遍相信的情況相反，並非所有的 RS485 收發器和電纜都適合 PROFIBUS-DP 網絡，反之亦然。電纜布線、終接、信號名稱和驅動器要求方面的差異的確存在;過於倉促地拒絕考慮這些差異有可能容易地讓您在主控設備或受控設備的性能 (或更糟，包括認證) 方面付出代價。

雖然 RS485 標準並未規定任何特殊的電纜布線要求，但是 120 屏蔽雙絞線已經成為了通常的推薦方案。然而，PROFIBUS-DP 則推薦使用 150 屏蔽雙絞線。不幸的是，120 不能近似為 150，而這細小的電纜阻抗差異實際上導致必需採用不同的 (而且在大多數場合中還是新的) 電纜。另外，PROFIBUS-DP 還規定了一個最大電纜長度，該長度取決於所使用的是 10 種波特率 「步幅」 中的哪一種 (從 9.6kbps 時的 1200m 到 12Mbps 時的 100m)。

當然，電纜阻抗要求不同，終端要求便隨之不同。為最大限度減少信號反射，RS485 裝置通常在總線的兩端都採用單個 120 終端電阻器，而 PROFIBUS-DP 則建議在總線的兩端採用一個 171 終端網絡。等一下，這是不是打字錯誤了?…… PROFIBUS-DP 推薦使用一個 171 終端網絡，因此與同樣由它推薦的 150 電纜特徵阻抗就不匹配了? 正是如此!圖 1 示出了 PROFIBUS-DP 所用的電纜和終端網絡與 RS485 存在怎樣的不同。由圖可見，PROFIBUS-DP 採用了兩個 390 總線偏置電阻器連同 220 終端電阻器;該終端網絡的有效差分電阻為 171，這顯然與 150 電纜並不是完全匹配，因而形成了一個輕微欠阻尼的網絡。但是不要擔心，因為在電纜的接收端這把其自身呈現為僅僅是信號電壓的一個小幅凸起 (即增加)，而持續的時間是電纜傳播延遲的兩倍。

圖 1：RS485 和 PROFIBUS-DP 網絡中的電纜、終端和引腳差異

假如電纜 / 終端失配還不夠，那麼 PROFIBUS 收發器上總線引腳的命名應該進一步打碎您的期望。您可能已經注意到圖 1 中使用相反的引腳名稱。在大多數通用型 RS485 收發器中，引腳 A 是同相接收器輸入 (和同相驅動器輸出)，而引腳 B 則是反相接收器輸入 (和反相驅動器輸出)，這相對於接收器輸出和驅動器輸入。然而，PROFIBUS 標準描述總線極性的方式使引腳 B 和 A 與上面的 RS485 恰好相反。為什麼不一致呢? 原始的 TIA/EIA-485-A 標準在其相對於邏輯信號功能的總線極性定義中有不明確的地方，所以 RS485 IC 設計師幾乎總是以一種方式解釋規範，而其他人則以不同的方式解釋。這對您來說意味著什麼呢? 尤其當您同時擁有 RS485 和 PROFIBUS-DP 項目時，那就是在把收發器總線引腳映射到連接器時必需特別注意。

根據現成有售定義不明確收發器的數量來看，差分驅動器輸出電壓 (VOD) 也許是 PROFIBUS-DP 的物理層中誤解最大 (或者最有意忽略的) 規格指標。RS485 規定 A 和 B 線之間的 VOD 應為 1.5V 至 5V (峰值差分，利用一個介於 A 和 B 之間的 54 電阻器在驅動器端子上測量)。然而，PROFIBUS-DP 則規定 VOD 應為 4V 至 7V (峰至峰差分，在電纜的遠端上測量，而且在電纜的每一端上具有終端)。顯然，這些要求是大相逕庭的。

一種常見的誤解是：如果一個 RS485 驅動器簡單地在一個 54 負載兩端產生高於 2.1V 的電壓，那麼當與 PROFIBUS-DP 終端網絡一起使用時，它將滿足 PROFIBUS-DP 的要求。然而，情況並非總是如此。RS485 驅動器的強度可能過高並超過 7VPP PROFIBUS-DP 限值。換言之，要注意再普通不過的 「PROFIBUS」 兼容型 RS485 收發器只規定了一個 VOD 最小值 (即：2.1V)，而沒有規定最大值。確保 PROFIBUS-DP VOD 相符性的最佳方法是利用一個 PROFIBUS 負載來測試收發器。圖 2 示出了怎樣利用一個 PROFIBUS-DP 負載和一些串聯電阻 (以模擬電纜損耗) 來測試 LTC2877 堅固型 PROFIBUS RS485 收發器，圖中的 VOD (藍色曲線) 是利用在 「電纜的末端」 (A』 和 B』) 採集的測量數據生成的，以確保真正地滿足了 PROFIBUS-DP 規範要求;另外，LTC2877 也利用 RS485 負載進行了全面測試，以確保 VOD 與這兩種標準的兼容性。

圖 2：採用一個 PROFIBUS-DP 負載來測試 LTC2877 差分輸出電壓 (VOD)

保護 PROFIBUS-DP

當談到減輕噪聲、故障、靜電放電 (ESD)、電性快速瞬變 (EFT) 或浪湧時，TIA/EIA-485-A 標準所做的規定非常之少，這就為收發器製造商和系統設計師實施他們自己的保護方法留出了空間。儘管這樣具有靈活性，但是人們都對嚴酷環境所造成的危害太熟悉了 (電纜必須經常蜿蜒穿梭其中)，並且期待在 PROFIBUS-DP 收發器中擁有某種最低限度的內置保護功能。雖然保護要求因應用而異，可是 LTC2877 (示於圖 3) 憑藉異常高的電氣保護等級單槍匹馬地全面滿足了市場要求。

圖 3：LTC2877 提供多種保護等級

TIA/EIA-485-A 標準規定：一個網絡上兩部設備之間的接地漂移在操作過程中可大至 –7V 至 +12V。不過，許多 PROFIBUS-DP 裝置會容易地遇到遠大於此的電壓，倘若這些總線電壓被超過了哪怕幾伏，普通的 PROFIBUS-DP 收發器也會因此受到嚴重的損壞。PROFIBUS 常用於 24V 系統，在此類系統中把 「標準的」 RS485 設備短接至 24V 可能是致命的。LTC2877 中的接收器具有一個 –25V 至 +25V 的擴展共模範圍，從而使 LTC2877 能夠安全經受大的共模電壓，並且不受幹擾地繼續傳輸和接收數據。過壓容差有限的收發器使得難以在不幹擾適當數據網絡性能的情況下實現有效的外部保護網絡。用具有 ±60V 過壓保護功能的 LTC2877 替代常見的 PROFIBUS-DP 收發器能夠容易地消除由於過壓故障引起的現場失效，並不需要採用昂貴的外部保護器件。

不言而喻，PROFIBUS-DP 收發器確實是系統的第一道防線，而且必需能夠保護他們自身免受各種不同級別電過應力的損壞，特別是最常遇到的形式，即 ESD 衝擊。雖然某些 PROFIBUS 收發器在未通電時在其總線引腳上提供了至 15kV 的 ESD 保護，但是 LTC2877 上的總線引腳則在未通電或通電以及任何操作模式中提供了 ±26kV HBM 保護等級 (相對於地或任一個電源)，並不會發生鎖斷或損壞情況。此外，當未通電時，還為總線引腳提供了針對 ±52kV 巨大對地電壓的保護作用。這種令人印象深刻的 ESD 保護等級僅僅是 LTC2877 堅固性的一個證明。

電過應力的另一種形式是 EFT，根據 IEC 61000-4-4 EFT 標準，EFT 是持續時間為 60s 的高電壓尖峰脈衝串。此類過應力通常是開關和繼電器中的電弧接觸點引起的，在使用機電開關連接和斷接電感負載的工業環境中這是常見的。LTC2877 可滿足 IEC 61000-4-4 的最高嚴重程度要求 (其為 level 4)，這相當於總線引腳上的 2kV 開路電壓。

也許最嚴重的電過應力形式是大自然以閃電形式傳送的電湧，單個閃電能夠攜帶高達 50 億焦耳的能量。那麼，像 LTC2877 這樣的纖巧型收發器 IC 不具備針對這種量級之電湧的固有保護能力也就不足為奇了。取而代之的是，在暴露於各種惡劣環境的 PROFIBUS-DP 系統中通常使用外部浪湧保護組件，包括 MOV (金屬氧化物變阻器)、TVS (瞬態電壓抑制) 二極體、TSPD (晶閘管浪湧保護器件) 和 GDT (氣體放電管)。而且，雖然 LTC2877 靠單擊獨奏將無法成功地防護閃電衝擊，但是其很高的 ±60V 引腳額定電壓使之可容易地找到能夠提供這種保護等級的外部保護組件。

結論

可以毫不諱言地說，PROFIBUS-DP 因其諸多出眾的品質將在一段時間裡身居現場總線通信的王者地位。採用凌力爾特的 LTC2877 進行設計提供了一種平靜的心態，那就是您將保持與當今最新規範的相符和同步。一旦對 PROFIBUS 規範有了更深入的了解，就會發現其他聲稱符合該規範的收發器常常有差強人意之處。LTC2877 正確地解釋了 RS485 和 PROFIBUS-DP 之間所有細微、但是重要的差異，包括驅動器的強度。此外，LTC2877 還實現了多種保護機制 (包括極其堅固的 ESD 防護單元)，以提供針對各種各樣威脅的保護作用。論證一款 PROFIBUS-DP 原型從未如此容易。