使用现场总线走得更快、更远

PROCENTEC 等行业表明，基于 RS-485 的现场总线技术 (PROFIBUS ? ) 的采用稳步增长，而工业以太网 (PROFINET) 的应用则快速增长。2018年，安装了6100万个PROFIBUS现场总线节点，PROFIBUS过程自动化（PA）同比增长7%。PROFINET 安装基础为 2600 万个节点，仅 2018 年就安装了 510 万台设备。1个

随着 RS-485 现场总线采用率的稳步增长和工业 4.0 加速智能互联工厂的部署，确保现场总线技术得到优化有助于实现智能系统。优化的现场总线技术必须仔细平衡 EMC 鲁棒性和可靠的数据传输。

不可靠的数据传输会降低整体系统性能。在运动控制应用中，现场总线通常用于单轴或多轴电机的闭环位置控制。高数据速率和长电缆很常见，如图 1 所示。如果位置控制不可靠，那么性能下降实际上意味着机器吞吐量质量下降和工厂生产率降低。在无线基础设施应用中，现场总线通常用于天线的倾斜/位置控制，其中准确的数据传输至关重要。在运动控制和无线基础设施应用中，需要不同级别的 EMC 保护，如图 1 所示。运动控制应用通常在电气噪声环境中运行，这可能会导致数据错误。相比下，

对于这些要求苛刻的应用，需要仔细检查电缆上的 RS-485 收发器定时性能，以确保系统可靠以及 EMC 特性。本文介绍了一些关键的系统时序和通信电缆概念；提供关键性能指标，包括时钟和数据分配以及电缆驱动能力；并展示了使用下一代 RS-485 收发器对工业应用的好处。

当考虑在长电缆上以高数据速率进行可靠的数据传输时，时序性能概念（例如抖动和时滞）——通常与低压差分信号 (LVDS) 有关——对 RS-485 变得很重要。需要检查由 RS-485 收发器和系统电缆添加的抖动和偏斜。

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图 1. RS-485 的 EMC、数据速率和电缆长度。（ Devices）

抖动可以量化为时间间隔误差，特别是信号转换的预期到达时间与实际转换到达时间之间的差异。在通信链路中，抖动有多种因素。每个贡献者本质上都可以广泛地描述为随机或确定性的。随机抖动可以从其高斯分布中识别出来，它源于半导体内的热噪声和宽带散粒噪声。确定性抖动来自通信系统内的来源；例如，占空比失真、串扰、周期性外部噪声源或符号间干扰。在使用 RS-485 标准的通信系统中，数据速率低于 100 MHz，其中这些确定性抖动效应优于随机效应。

The peak-to-peak jitter value is a useful measure of the total system jitter resulting from deterministic sources. Peak-to-peak jitter can be examined in the time domain by superimposing a large number of signal transitions on the same display (commonly known as an eye diagram). This can be achieved on an oscilloscope display using infinite persistence, or with an oscilloscope’s built-in jitter decomposition software, as shown in Figure 2.2

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Figure 2. Time interval error, jitter, and eye. (Source: Analog Devices)

重叠过渡的宽度是峰峰值抖动，中间的开放区域称为眼图。该眼图是位于长 RS-485 电缆远端的接收节点可用于采样的区域。更大的眼宽为接收节点提供了更宽的采样窗口，并降低了错误接收位的风险。可用眼图主要受 RS-485 驱动器和接收器以及互连电缆的确定性抖动影响。

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图 3. RS-485 通信网络中抖动的主要贡献者。（ Devices）

当信号边沿的到达时间受到沿该边沿前进的数据模式的影响时，就会出现符号间干扰 (ISI)。符号间干扰效应在电缆互连较长的应用中变得突出，使 ISI 成为 RS-485 网络的关键因素。较长的互连会产生 RC 时间常数，其中电缆电容在单个位周期结束时尚未完全充电。在传输数据仅包含时钟的应用中，不存在这种形式的符号间干扰。符号间干扰也可能由电缆传输线上的阻抗不匹配、线路短截线或终端电阻器使用不当引起。

可容忍的峰峰值抖动百分比高度依赖于应用，通常使用 10% 的抖动来衡量 RS-485 收发器和电缆性能的组合。过度抖动和偏斜的组合会影响接收 RS-485 收发器的采样能力，增加通信错误的可能性。在正确端接的传输网络中，选择经过优化以限度地减少收发器脉冲偏移和符号间干扰影响的收发器会产生更可靠、无差错的通信链路。

RS-485 收发器设计和电缆效应

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 标准3 提供了 RS-485 发射器和接收器的设计和工作范围的规范，包括电压输出差分 (VOD)、短路特性、共模负载，以及输入电压阈值和范围。TIA-485-A/EIA-485-A 标准中未指定 RS-485 时序性能，包括偏移和抖动，由 IC 供应商根据产品数据表规范进行优化。

其他标准，例如 TIA-568-B.2/EIA-568-B.2、双绞线布线的电信标准4 为电缆交流和直流对 RS-485 信号质量的影响提供了背景。该标准提供了抖动、偏斜和其他时序测量的注意事项和测试程序，并设置了性能限制；例如，允许的 5e 类电缆偏差为每 100 米 45 ns。阅读增强的 RS-485 性能，了解有关 TIA-568-B.2/EIA-568-B.2 标准以及使用非理想布线对系统性能的影响的更多信息。

虽然可用的标准和产品数据表提供了很好的有用信息来源，但系统定时性能的任何有意义的表征都需要在长电缆上测量 RS-485 收发器。

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图 4. ADM3065E 典型时钟抖动性能。（ Devices）

使用 RS-485 进行更快更远的通信

下一代 RS-475 收发器提供增强的性能，以满足使用 TIA-485-A/EIA-485-A 等未定义偏移和抖动的标准的应用的需求。例如，Analog Devices的ADM3065E等 RS0485 收发器提供超低的发送器和接收器偏移性能。这允许系统支持时钟的传输，这通常是电机编码标准中的特征，例如 EnDat 2.2。5个 As shown in Figures 4 and 5, systems have been demonstrated to show less than 5% deterministic jitter across typical cable lengths encountered in motor control applications. The wide supply range of the transceiver means this level of timing performance is available for applications that require either a 3.3 V or 5 V transceiver power supply.

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Figure 5. ADM3065E receiving eye diagram: 25 MHz clock distributed across 100 m cable. (Source: Analog Devices)

2999可在 100 米的电缆线路上实现高达 35 Mbps 的数据速率。

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图 6. ADM3065E 接收数据节点出色的抖动性能。（ Devices）

对于使用 EnDat 2.2 编码器协议传输的每个数据包，数据与时钟下降沿同步传输。图 7 说明了在初始计算位置 (TCAL) 之后，起始位开始将数据从编码器传输回主控制器。随后的错误位（F1、F2）指示编码器故障何时会导致位置值不正确。然后编码器传输一个位置值，从 LS 开始，随后是数据。时钟和数据信号完整性对于通过长电缆传输成功的位置和错误信号至关重要，EnDat 2.2 规定抖动为 10%。EnDat 2.2 规定在 20 米的电缆上以 16 MHz 时钟速率运行。图 4 显示这些要求仅需 5% 的时钟抖动即可满足，

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图 7. EnDat 2.2 物理层和具有时钟/数据同步的协议（改编自 EnDat 2.2 的图表）。（ Devices）

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 标准3 需要符合标准的 RS-485 驱动器以在满载网络中生成至少 1.5 V 的差分电压幅度 VOD。这个 1.5 VOD 允许在长电缆长度上有 1.3 V 的电压直流衰减，RS-485 接收器指定在至少 200 mV 的输入差分电压下运行。使用设计为在 5 V 供电时输出至少 2.1 V VOD 的收发器，设计人员可以超越 RS-485 规范要求。

一个满载的 RS-485 网络相当于一个 54 Ω 差分负载，它模拟两个 120 Ω 电阻器的双端接总线，另外 750 Ω 表示 1 个单位负载或 12 kΩ 的 32 个连接设备。ADM3065E 采用专有输出架构，可限度地提高 VOD，同时满足所需的共模电压范围，超过 TIA-485-A/EIA-485-A 的要求。图 8 说明了收发器如何在由 3.3 V 电源轨供电时超过 RS-485 标准的驱动要求 >210%，或在由 5 V 电源轨供电时超过 300%。与常规 RS-485 收发器相比，这允许系统与更多远程节点和更多噪声容限进行更远距离的通信。

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Figure 8. The ADM3065E exceeding the RS-485 drives requirements across a wide supply range. (Source: Analog Devices)

Figure 9 further illustrates this point in a typical application over 1000 m of cable. When communicating over a standard AWG 24 cable, an enhanced transceiver is 30% better than a standard RS-485 transceiver—with 30% greater noise margin at the receiving node, or a 30% increase in the maximum cable length at low data rates. This performance is well suited to wireless infrastructure applications, where the RS-485 cable extends beyond several hundred meters.

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Figure 9. ADM3065E delivers a superior differential signal for ultralong distances. (Source: Analog Devices)

EMC Protection and Noise Immunity

RS-485 signaling is balanced, differential, and inherently noise immune. System noise couples equally to each wire in an RS-485 twisted pair cable. Twisted pair cabling causes the induced noise currents to flow in opposite directions, and electromagnetic fields coupled onto the RS-485 bus cancel each other out. This reduces the electromagnetic susceptibility of the system. In addition, greater drive strength allows greater signal-to-noise ratio (SNR) in communications. Over long cable runs, such as hundreds of meters between ground level and antenna on wireless base stations, having an enhanced SNR, as well as excellent signal integrity, ensures accurate and reliable tilt/position control of antennas.

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Figure 10. Wireless infrastructure cable lengths can extend over hundreds of meters. (Source: Analog Devices)

如图 1 所示，通过相邻的连接器和电缆直接与外界连接的 RS-485 收发器需要 EMC 保护。例如，外露的 RS-485 连接器和编码器到电机驱动器的电缆上的 ESD 是一种常见的系统危害。系统级 IEC 61800-3 标准涉及可调速的 EMC 抗扰度要求，电力驱动系统需要至少 ±4 kV 接触/±8 kV 空气 IEC 61000-4-2 ESD 保护。ADM3065E 等增强型收发器具有 ±12 kV 接触/±12 kV 空气 IEC 61000-4-2 ESD 保护，超出了这一要求。

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图 11. 具有 ESD、EFT 和浪涌保护的完整 25 Mbps 信号和电源隔离 RS-485 解决方案。（ Devices）

对于无线基础设施应用，需要增强的 EMC 保护以防止破坏性的雷电浪涌事件。向收发器输入添加一个 SM712 TVS 和两个 10 Ω 协调电阻器可提供增强的 EMC 保护——具有高达 ±30 kV 61000-4-2 ESD 保护和 ±1 kV IEC 61000-4-5 浪涌保护。

为了提高电气严苛电机控制、过程自动化和无线基础设施应用的抗噪性，可以添加电流隔离。可以使用 Analog Devices 的iCoupler ? 和iso Power ?技术为 ADM3065E 添加具有增强绝缘和 5 kV rms 瞬态耐受电压的电流隔离 。ADuM231D提供所需的三个 5 kV rms 信号隔离通道，具有的定时性能，允许以高达 25 Mbps 的速率稳健运行。ADuM6028 _2999

下一代 RS-485 收发器的性能优于行业标准，与标准 RS-485 设备相比，可以实现更远、更快的通信。在 EnDat 2.2 5规定的 10% 抖动水平下，系统可以在长 20 m 的电缆上以 16 MHz 时钟速率运行，而标准 RS-485 很难满足这一要求。超过 RS-485 总线驱动要求高达 300%，可在更长的电缆上提供更好的可靠性和更大的噪声容限。通过添加i Coupler 隔离，包括 ADuM231D 信号隔离器和业界尺寸的隔离电源解决方案 ADuM6028，可以提高抗噪性。