PROFIBUS-DP（分布式外圍設(shè)備）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)存在了二十多年，然而，物理層要求仍不清楚，經(jīng)常導(dǎo)致收發(fā)器定義混亂。然而，任何模糊性顯然都沒(méi)有阻止 PROFIBUS 成為非常成功的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)解決方案，全球安裝了超過(guò) 5000 萬(wàn)臺(tái)設(shè)備。隨著新系統(tǒng)的部署，設(shè)計(jì)工程師知道他們使用的收發(fā)器設(shè)計(jì)用于對(duì) PROFIBUS-DP 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行最新和最準(zhǔn)確的解釋?zhuān)@一點(diǎn)很重要。

PROFIBUS-DP（分布式外圍設(shè)備）基礎(chǔ)知識(shí)

更快、更簡(jiǎn)單的 PROFIBUS-DP 標(biāo)準(zhǔn)誕生于 1993 年，源自更慢、更復(fù)雜的 PROFIBUS FMS（現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)消息規(guī)范）父標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS-DP 還有一個(gè)更年輕、不太流行的同級(jí)或衍生標(biāo)準(zhǔn) PROFIBUS-PA（過(guò)程自動(dòng)化），它使用曼徹斯特總線(xiàn)供電 (MBP) 傳輸并通過(guò)總線(xiàn)供電，非常適合危險(xiǎn)環(huán)境中的本質(zhì)安全應(yīng)用。但 PROFIBUS-DP 是當(dāng)今使用最廣泛的 PROFIBUS 版本，因?yàn)樗哂屑床寮从玫奶匦浴㈧`活性和成本效益。從工業(yè)工廠(chǎng)中傳感器和執(zhí)行器的管理到與鐵路站場(chǎng)中的流量計(jì)通信，以及各種機(jī)器人應(yīng)用，PROFIBUS-DP 將 I/O 卡（主站）從控制器分散到更靠近傳感器和執(zhí)行器（從站）的位置,

PROFIBUS-DP 可以通過(guò)多種介質(zhì)進(jìn)行通信，包括銅線(xiàn)、光纖，甚至紅外通信器中的空氣。到目前為止，PROFIBUS-DP 主站和從站最常用的位傳輸介質(zhì)（ISO/OSI 模型的第 1 層）是使用 RS485 收發(fā)器的雙絞線(xiàn)。考慮到 RS485 的高速差分信號(hào)和在嘈雜環(huán)境中遠(yuǎn)距離多個(gè)設(shè)備之間的穩(wěn)健通信，這并不奇怪。多個(gè)主站，例如 PLC（可編程邏輯控制器），可以在線(xiàn)性拓?fù)渲忻慷芜B接到 30 個(gè)從站。使用集線(xiàn)器（并行段）或中繼器（串行段）可以將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到 124 個(gè)從站。段必須在兩端使用主動(dòng)終止來(lái)終止。所有從機(jī)都可以熱插拔到總線(xiàn)中，

95% RS485，5% 混亂

PROFIBUS-DP 采用了大部分 TIA/EIA-485-A RS485 標(biāo)準(zhǔn)，但確實(shí)做了一些更改，由于較大的系統(tǒng)問(wèn)題可能會(huì)被意外忽略。因此，與普遍看法相反，并非所有 RS485 收發(fā)器和電纜都適用于 PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)。布線(xiàn)、終端、信號(hào)名稱(chēng)和驅(qū)動(dòng)器要求方面確實(shí)存在差異；太快忽略這些差異很容易使您的主設(shè)備或從設(shè)備的性能（或更糟的是，認(rèn)證）付出代價(jià)。

雖然 RS485 標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有指定布線(xiàn)要求，但 120-Ω 屏蔽雙絞線(xiàn)已成為常規(guī)建議。然而，PROFIBUS-DP 推薦使用 150-Ω 屏蔽雙絞線(xiàn)。不幸的是，120 Ω 不能近似為 150 Ω，而且電纜阻抗的這種微小差異實(shí)際上需要使用不同的電纜。PROFIBUS-DP 還規(guī)定了最大電纜長(zhǎng)度，這取決于使用 10 個(gè)波特率“步長(zhǎng)”中的哪一個(gè)，范圍從 9.6 kbits/s 的 1,200 m 到 12 Mbits/s 的 100 m。

當(dāng)然，不同的電纜阻抗要求會(huì)帶來(lái)不同的端接要求。為了最大限度地減少信號(hào)反射，RS485 安裝通常在總線(xiàn)兩端使用單個(gè) 120-Ω 終端電阻，而 PROFIBUS-DP 建議在總線(xiàn)兩端使用 171-Ω 終端網(wǎng)絡(luò)。等等，是不是打錯(cuò)字了？PROFIBUS-DP 推薦 171-Ω，因此與推薦電纜的 150-Ω 特性阻抗不匹配？絕對(duì)地。圖。1 顯示了用于 PROFIBUS-DP 的電纜和終端網(wǎng)絡(luò)與 RS485 的不同之處。您可以看到兩個(gè) 390-Ω 總線(xiàn)偏置電阻與 220-Ω 終端電阻一起使用；差分電阻為 171 Ω。這顯然不是 150-Ω 電纜的完美匹配，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻尼稍顯不足。但是，請(qǐng)不要擔(dān)心，因?yàn)檫@表明它只是電纜接收端信號(hào)電壓的一個(gè)小凸起或增加，其持續(xù)時(shí)間是電纜傳播延遲的兩倍。

圖 1：RS485 和 PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)中的電纜、終端和引腳差異。

如果電纜/終端不匹配還不夠，那么 PROFIBUS 收發(fā)器上總線(xiàn)引腳的命名應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步打破您的期望。您可能已經(jīng)注意到圖 1中使用的相反引腳名稱(chēng). 在大多數(shù)通用 RS485 收發(fā)器中，引腳 A 是同相接收器輸入（和同相驅(qū)動(dòng)器輸出），引腳 B 是反相，相對(duì)于接收器輸出和驅(qū)動(dòng)器輸入。但是，PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)以這樣一種方式描述總線(xiàn)極性，即引腳 B 和 A 正好相反。為什么不一致？最初的 TIA/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確定義與邏輯信號(hào)功能相關(guān)的總線(xiàn)極性，因此 RS485 IC 設(shè)計(jì)人員幾乎總是以一種方式解釋規(guī)范，而其他人則以另一種方式解釋。這對(duì)您意味著什么，特別是如果您同時(shí)擁有 RS485 和 PROFIBUS-DP 項(xiàng)目，那么在將收發(fā)器總線(xiàn)引腳映射到連接器時(shí)必須密切注意。

根據(jù)現(xiàn)有的定義不明確的收發(fā)器的數(shù)量，差分驅(qū)動(dòng)器輸出電壓 (V OD ) 可能是 PROFIBUS-DP 物理層中最被誤解或忽略的規(guī)范。RS485 規(guī)定 A 和 B 線(xiàn)之間的 V OD 應(yīng)為 1.5 至 5 V，峰值差分，在 A 和 B 之間使用 54-Ω 電阻器在驅(qū)動(dòng)器端子處測(cè)量。PROFIBUS-DP 規(guī)定 V OD 應(yīng)為 4 至7 V，峰峰值差分，在電纜的遠(yuǎn)端測(cè)量，每端都有終端。

一個(gè)常見(jiàn)的誤解是，如果 RS485 驅(qū)動(dòng)器只是在 54-Ω 負(fù)載上產(chǎn)生超過(guò) 2.1 V 的電壓，那么當(dāng)與 PROFIBUS-DP 終端網(wǎng)絡(luò)一起使用時(shí)，它將滿(mǎn)足 PROFIBUS-DP 的要求。然而，這并不總是正確的。RS485 驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度可能過(guò)高并超過(guò) 7-V PP PROFIBUS-DP 限制。請(qǐng)注意所有常見(jiàn)的“PROFIBUS”兼容 RS485 收發(fā)器，它僅指定 V OD 最小值（即 2.1 V）而沒(méi)有最大值。確保 PROFIBUS-DP V OD 符合性的最佳方法是使用 PROFIBUS 負(fù)載測(cè)試收發(fā)器。

圖 2 顯示了如何使用 PROFIBUS-DP 負(fù)載和一些串聯(lián)電阻來(lái)測(cè)試 LTC2877 堅(jiān)固型 PROFIBUS RS485 收發(fā)器以模擬電纜損耗，其中 V OD （藍(lán)色曲線(xiàn)）是從“電纜末端”（ A' 和 B') 以確保真正滿(mǎn)足 PROFIBUS-DP 規(guī)范。LTC2877 還針對(duì) RS485 負(fù)載進(jìn)行了全面測(cè)試，以確保 V OD 與這兩種標(biāo)準(zhǔn)兼容。

圖 2：使用 PROFIBUS-DP 負(fù)載測(cè)試 LTC2877 差分輸出電壓 (VOD)。

保護(hù) PROFIBUS-DP

TIA/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)在對(duì)抗噪聲、故障、ESD、瞬變（電快速瞬變）或浪涌方面的規(guī)定非常少，因此收發(fā)器制造商和設(shè)計(jì)人員可以自行實(shí)施電氣保護(hù)。雖然保護(hù)要求因應(yīng)用而異，但一些收發(fā)器，包括圖 3中所示的 LTC2877 ，能夠以高水平的保護(hù)滿(mǎn)足所有市場(chǎng)要求。

圖 3：LTC2877 收發(fā)器提供多級(jí)保護(hù)。

TIE/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定網(wǎng)絡(luò)上兩個(gè)設(shè)備之間的接地偏移可高達(dá) –7 至 +12 V。但是，許多 PROFIBUS-DP 安裝可能會(huì)遇到遠(yuǎn)高于此的電壓，這可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的損壞 PROFIBUS-DP 收發(fā)器。PROFIBUS 常用于 24V 系統(tǒng)，其中將“標(biāo)準(zhǔn)”RS485 設(shè)備短接到 24V 可能是致命的。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該需要一個(gè)具有 –25 至 +25 V 擴(kuò)展共模范圍的接收器。用受 ±60 V 保護(hù)的 LTC2877 代替通常的 PROFIBUS-DP 收發(fā)器可以消除由于過(guò)壓故障而導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)故障，而無(wú)需昂貴的外部保護(hù)。因?yàn)?PROFIBUS-DP 收發(fā)器實(shí)際上是系統(tǒng)的第一道防線(xiàn)，所以它們需要能夠保護(hù)自己免受各種級(jí)別的 ESD 沖擊。一些 PROFIBUS 收發(fā)器在未通電時(shí)在其總線(xiàn)引腳上受到 15 kV ESD 保護(hù)；其他產(chǎn)品（例如 LTC2877）提供相對(duì)于地或任一電源的 ±26kV HBM ESD 保護(hù)，而不會(huì)發(fā)生閂鎖或損壞、未通電或通電以及在任何操作模式下。此外，總線(xiàn)引腳在未通電時(shí)受到保護(hù)，可防止 ±52kV 對(duì)地沖擊。

另一種形式的電氣過(guò)應(yīng)力是 EFT，根據(jù) IEC 61000-4-4 EFT 標(biāo)準(zhǔn)，它是持續(xù) 60 秒的高壓尖峰脈沖。這種類(lèi)型的過(guò)應(yīng)力通常是開(kāi)關(guān)和繼電器中的電弧觸點(diǎn)造成的，這在使用機(jī)電開(kāi)關(guān)連接和斷開(kāi)感應(yīng)負(fù)載的工業(yè)環(huán)境中很常見(jiàn)。他們應(yīng)確保所選收發(fā)器符合 IEC 61000-4-4 最高級(jí)別，即 4 級(jí)，相當(dāng)于總線(xiàn)引腳上的 2 kV 開(kāi)路電壓。

也許最嚴(yán)重的電氣過(guò)載形式是大自然以閃電形式提供的浪涌。因此，像 LTC2877 這樣的微型收發(fā)器 IC 不具備針對(duì)這種量級(jí)電涌的固有保護(hù)也就不足為奇了。相反，外部浪涌保護(hù)組件，包括 MOV、TVS 二極管、TSPD（晶閘管浪涌保護(hù)器件）和 GDT（氣體放電管），通常用于以任何方式暴露于元件的 PROFIBUS-DP 系統(tǒng)中。LTC2877 無(wú)法單獨(dú)抵御雷擊，但其 ±60V 的高引腳額定值使得很容易找到能夠提供這種保護(hù)水平的外部保護(hù)組件。

審核編輯? 黃昊宇