摘要：PROFIBUS 是一種具有多電氣層選項(xiàng)的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。在一些自動(dòng)控制應(yīng)用中，最為常見(jiàn)的 PROFIBUS 電氣層是 RS-485 的變量，其包含了一些能夠提高數(shù)據(jù)傳輸性能的附加要求。本文對(duì) PROFIBUS 應(yīng)用中的這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)做了簡(jiǎn)要綜述，并介紹了針對(duì)總線收發(fā)器的一些關(guān)鍵特性。

引言

過(guò)程自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化或運(yùn)動(dòng)控制中的工業(yè)通信是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)場(chǎng)總線是指使用一系列媒介的工業(yè)通信系統(tǒng)，例如：銅質(zhì)線纜、光纖或無(wú)線鏈接，并采用比特串行傳輸技術(shù)將分布式現(xiàn)場(chǎng)器件（傳感器、傳動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器和變送器等等）耦合至中心控制系統(tǒng)或管理系統(tǒng)。

在過(guò)去的十年里，PROFIBUS 成為了全球現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)市場(chǎng)的領(lǐng)頭羊，其在提供現(xiàn)場(chǎng)級(jí)橫向通信的同時(shí)，還可通過(guò)數(shù)個(gè)等級(jí)分層提供縱向通信。分層和協(xié)調(diào)配合工作的工業(yè)通信系統(tǒng)[例如：同時(shí)具有低層面 AS 接口連接和高層面以太網(wǎng)連接（通過(guò) PROFInet）的PROFIBUS]可為生產(chǎn)過(guò)程各環(huán)節(jié)中的清晰聯(lián)網(wǎng)提供理想的先決條件（請(qǐng)參見(jiàn)圖1）。

圖 1 自動(dòng)控制技術(shù)中的通信圖解
傳感器—傳動(dòng)器層級(jí)通信：二進(jìn)制傳感器和傳動(dòng)器信號(hào)通過(guò)傳感器傳動(dòng)器總線進(jìn)行傳輸，從而提供了一種數(shù)據(jù)和電量能通過(guò)一種共享的媒介進(jìn)行傳輸?shù)牡统杀厩液?jiǎn)單易行的技術(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)通信：分布式設(shè)備（如 I/O 模塊、變送器、驅(qū)動(dòng)裝置、分析設(shè)備以及電子管或操作員終端）通過(guò)一個(gè)功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。

光電元件層級(jí)通信：可編程控制器（如PLC 和 PC）之間不但互相通信，而且還通過(guò)使用諸如以太網(wǎng)、TCP/IP、企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)和辦公室應(yīng)用中的 IT 系統(tǒng)進(jìn)行通信。

PROFIBUS 和其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)已于 1999 年被確立為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)——IEC 61158。該標(biāo)準(zhǔn)的第二部分 (IEC 61158-2) 定義了幾種傳輸技術(shù)，其中 RS-485 就是 PROFIBUS 中一種最為常用的技術(shù)。

PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的兼容性要視具體的應(yīng)用而定，這種設(shè)計(jì)所采用的幾個(gè)組件會(huì)對(duì)整體兼容性產(chǎn)生影響，其中的一個(gè)組件便是 RS-485 收發(fā)器。選擇一個(gè)收發(fā)器時(shí)，您必須要了解物理層，并清楚該收發(fā)器在該物理層中的作用。

PROFIBUS 收發(fā)器的選擇

兩個(gè)關(guān)鍵特性使 PROFIBUS 有別于標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485 收發(fā)器。第一個(gè)特性是驅(qū)動(dòng)器的差動(dòng)輸出 VOD，且非常適用于 PROFIBUS DP 應(yīng)用。第二個(gè)特性是為總站電容組成部分的差動(dòng)輸出電容，從而限制了 IEC 61158-2 規(guī)定的最大信令速率。

差動(dòng)輸出電壓 (VOD)

RS-485 將 VOD 定義為 –7V～12V 共模電壓范圍中 60-Ω 電阻兩端的差動(dòng)輸出電壓（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2）。PROFIBUS DP 主從通信協(xié)議測(cè)試規(guī)范要求，峰至峰差動(dòng)輸出電壓VOD (PP)應(yīng)該介于 4V～7V 之間。大多數(shù)產(chǎn)品說(shuō)明書都沒(méi)有規(guī)定峰至峰值，而是規(guī)定了最小的零至峰值電壓 VOD = ±2.1V，也就是 4.2 VPP。

圖 2 施加一定負(fù)載的 RS-485 總線收發(fā)器與施加相同負(fù)載的 PROFIBUS 收發(fā)器的比較
將 VOD 定義運(yùn)用于 PROFIBUS 負(fù)載

圖 2 中左邊的等效電路顯示了一個(gè) 32 單位負(fù)載的 RS－485 總線，而右邊的電路則顯示了一個(gè)相同單位負(fù)載的 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)。等效電路的變化是由 PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)的額外要求引起的，該標(biāo)準(zhǔn)要求必須在總線兩端各提供一個(gè)上拉電阻和一個(gè)下拉電阻，以在出現(xiàn)一個(gè)總線閑置時(shí)保持差動(dòng)電壓。

高 VOD 提供了更大的噪聲容限

5V 端接電壓帶來(lái)了 VOD 的正向偏移，從而將一個(gè)非對(duì)稱波形帶至接收機(jī)輸入端。這種非對(duì)稱性會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)輸出端上的占空比失真。占空比失真的程度取決于信號(hào)上升和下降次數(shù)，以及接收機(jī)的輸入閥值。由于大多數(shù) PROFIBUS 應(yīng)用均處在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中，因此非對(duì)稱性還意味著一種邏輯狀態(tài)的噪聲容限比另一種特別關(guān)注的邏輯狀態(tài)的噪聲容限低。最終，驅(qū)動(dòng)器必須要克服這種偏移，以滿足 PROFIBUS DP 測(cè)試準(zhǔn)則的要求，即要求總線電壓振幅變化不超過(guò) 0.5V。

正是由于上述原因，PROFIBUS 驅(qū)動(dòng)器規(guī)定的最小 VOD 值應(yīng)大于 RS-485 應(yīng)用中的典型值。

反射和 Vcc 變化帶來(lái)更大的 VOD

PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)定義了 A 型線纜的規(guī)格（請(qǐng)參見(jiàn) IEC 61158-2 的表 100），其將被用于220Ω 總線終端。由于這種特有線纜阻抗值可以在 135Ω～165Ω 之間變化（在 20MHz的帶寬范圍），而線纜末端的等效差動(dòng)終端阻抗為 171Ω，因此阻抗不匹配所帶來(lái)的反射和電源電壓變化將使 VOD 超過(guò)表 1 所示的 PROFIBUS DP 測(cè)試準(zhǔn)則規(guī)定的限制等級(jí)。

因此，為了確保標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，我們強(qiáng)烈建議將 Vcc 限制在 5V，并選擇一條特性阻抗接近 165Ω 的線纜。
表 1 隨著 Vcc 變化而變化的 VOD

各站的總線電容

PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn) EN 50170 和 IEC 61158-2 規(guī)定了特定信令速率的最大總線電容，總線電容越高，信令速率就越低。例如，在500 kbps 的信令速率時(shí)，所有總線節(jié)點(diǎn)的總電容不超過(guò) 600 pF，而在 12 Mbps 的信令速率時(shí)，最大允許電容為 200 pF?？偩€電容包括了總線上所有連接器、短截線和器件的差動(dòng)電容，但不包括線纜電容。由于總線電容的變化主要是由器件電容的變化引起的，因此，從理想的層面上來(lái)說(shuō)，PROFIBUS 收發(fā)器的產(chǎn)品說(shuō)明書應(yīng)該規(guī)定最大輸出電容，以允許對(duì)最大可能信令速率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)計(jì)。到目前為止，唯一能夠確保 10 pF 最大輸出電容的收發(fā)器就是 SN65HVD1176。

穩(wěn)鍵性

穩(wěn)健性是看收發(fā)器處理電氣過(guò)應(yīng)力 (EOS) 的能力大小，這種電氣過(guò)應(yīng)力表現(xiàn)的具體形式有靜電放電 (ESD)、瞬態(tài)電壓和共模電壓。這些穩(wěn)健性測(cè)量方法的區(qū)別在于峰值電壓及其持續(xù)時(shí)間，而小峰值電壓和長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間決定著最大絕對(duì)額定值 (AMR)。靜電放電 (ESD)額定值意味著高峰值電壓和短測(cè)試脈沖。瞬態(tài)電壓在 ESD 和 AMR 額定值之間時(shí)將會(huì)下降。

最大絕對(duì)額定值 (AMR)/建議工作條件 (ROC)

總線引腳的 AMR 是指可以使用但不至于造成損壞的低頻正弦波的最大振幅，建議的工作條件為 AMR 的子集。由于大多數(shù) PROFIBUS 收發(fā)器都是基于 RS-485 技術(shù)，因此其總線I/O 的 ROC符合 –7V 至 +12V 的 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)。雖然 AMR 會(huì)因廠商不同而各異，但ROC 中規(guī)定的電壓范圍通常會(huì)有 2V 的變化。

共模電壓范圍和抑制