在RS485網(wǎng)絡(luò )中使用隔離帶來(lái)的性能好處

通道3(綠色)顯示在DI引腳進(jìn)入發(fā)送驅動(dòng)器的數據信號，而通道4(紅色)是來(lái)自遠端收發(fā)器RO引腳的數據輸出，這個(gè)輸出應該跟隨該數據輸入，只是有傳輸延遲。

圖3上部的黃色波形是在具有7V幅度(14VPP)的地電位之間引入的正弦波電壓信號。通道2(藍色)顯示穿過(guò) 100英尺電纜后在接收器負輸入端的“B”信號。疊加在大共模電壓信號上的“B”端數字數據與這個(gè)大共模電壓信號相比，幾乎察覺(jué)不到。

圖3顯示出了很明顯的差錯。有兩種因素導致數據丟失，這兩種因素都與RS485接收器的有限共模抑制能力有關(guān)。首先，共模信號的高頻分量(這里大約為1.2MHz)超過(guò)了大多數RS485接收器共模抑制的有效帶寬；其次，提供給接收器的共模信號的幅度遠超過(guò)允許的-7V至+12V范圍。在這種情況下，在100英尺導線(xiàn)末端的信號幅度將達到±20V的峰值，盡管在近端引入激勵的電壓峰值僅為±7V。這種幅度峰值在網(wǎng)絡(luò )配線(xiàn)的諧振頻率上被最大限度地提高了。請注意，這不涉及總線(xiàn)的差分特性，就像是一條傳輸線(xiàn)，但這是與共模阻抗有關(guān)的一種特性。諧振頻率是電纜長(cháng)度、電纜配置(例如是繞成線(xiàn)圈的，還是直的)和所連接節點(diǎn)復阻抗的函數。有趣的是，由于頻率分量和幅度峰值，一個(gè)±7V的共模信號就能夠破壞RS485信號傳輸。

用LTM2881隔離式RS485收發(fā)器(圖2c)取代該RS485收發(fā)器，可以解決數據損壞問(wèn)題，如圖4所示。在這種配置中，加到接收器輸入端的共模信號幾乎全部落在隔離勢壘上。與接收器隔離的地隨著(zhù)接收器輸入的共模電壓變化，簡(jiǎn)單的附著(zhù)其上。結果，接收器不把這看作是一種共模變化，并繼續可靠地檢測差分數據。

請注意，在圖4中，共模頻率已經(jīng)升高到2MHz，這導致在電纜末端進(jìn)入接收器(藍色波形)的信號幅度顯著(zhù)提高到40VPP。這個(gè)共模電壓幅度遠遠超出RS485標準中規定的性能規格，會(huì )給大多數非隔離式RS485收發(fā)器帶來(lái)考驗。通過(guò)改善配線(xiàn)，LTM2881隔離式收發(fā)器甚至可在更高的共模變化頻率上繼續工作，下面探討這個(gè)問(wèn)題。

進(jìn)一步的配線(xiàn)改進(jìn)

之前的討論集中在具無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)總線(xiàn)配線(xiàn)的隔離式收發(fā)器和非隔離式收發(fā)器之間的差別。更好的配線(xiàn)選擇包括，采用屏蔽導線(xiàn)和一種將所有隔離的地節點(diǎn)連到一起的公共導線(xiàn)。以下討論采用這些方法的兩種配線(xiàn)配置。

圖2b顯示用諸如Belden 9841電纜等屏蔽雙絞線(xiàn)連接的非隔離網(wǎng)絡(luò )。屏蔽層應該只在一個(gè)點(diǎn)連接，以避免產(chǎn)生地環(huán)路。將屏蔽層連接到接收器地，可為提高系統性能提供最佳分流。在多節點(diǎn)、非隔離網(wǎng)絡(luò )中，主節點(diǎn)一般是屏蔽層連接點(diǎn)。屏蔽所起的作用是將耦合能量分流至地而不是信號線(xiàn)。對于縮小網(wǎng)絡(luò )不同節點(diǎn)上的驅動(dòng)器和接收器之間的地電位差來(lái)說(shuō)，屏蔽并不起任何作用。如下面討論的那樣，這個(gè)限制在隔離式網(wǎng)絡(luò )中被消除了。

圖2d說(shuō)明了用于隔離式收發(fā)器的最佳配線(xiàn)選擇。采用一根普通導線(xiàn)將每個(gè)節點(diǎn)上的所有隔離地連接在一起。在某個(gè)點(diǎn)上將該公共接頭連接至非隔離地，以確立另外的未接地網(wǎng)絡(luò )的標稱(chēng)電壓基準電平。這可防止總線(xiàn)浮動(dòng)至超出隔離額定值的過(guò)高電壓。

這種配置可使RS485接收器發(fā)揮最佳性能，因為接收器的隔離地電位跟隨輸入信號的共模，并被吸收到隔離勢壘上。既然接收器地隨著(zhù)信號變化，那么接收器就沒(méi)有抑制共模電壓瞬態(tài)的負擔了?？绺綦x勢壘傳送數字編碼數據的電路承擔瞬態(tài)和共模抑制這個(gè)任務(wù)。在LTM2881中，數字隔離使用差分電感信號和編碼來(lái)傳送數據。LTM2881可以抑制高于30kV/us的瞬態(tài)轉換率，例如，勢壘電壓僅在27ns內就有800V變化，而不會(huì )丟失任何數據。

圖2d還顯示了一個(gè)單獨的屏蔽層，該屏蔽層在一個(gè)點(diǎn)連接到大地的地電位，以分流耦合的噪聲。不過(guò)，有些系統不會(huì )既選擇屏蔽層又選擇單獨的基準配線(xiàn)。在這種情況下，最佳選擇是將屏蔽層連接到每個(gè)隔離收發(fā)器的公共終端，然后再從一個(gè)點(diǎn)連接到大地的地電位。如果RF抗擾力仍然令人擔憂(yōu)，那么利用從每個(gè)接收器公共端到地的高頻高壓電容器，就能夠從收發(fā)器分走能量。

需要隔離的網(wǎng)絡(luò )

顯然，隔離可以改善數據通信的可靠性。但是一個(gè)從隔離受益的正常運行的網(wǎng)絡(luò )有哪些特點(diǎn)？哪些證據可以證明給一個(gè)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品增加隔離是正確的呢？

系統可能獲益的第一個(gè)跡象是在經(jīng)常進(jìn)行信息重發(fā)的時(shí)候。較高級的協(xié)議可以處理隨機誤差(由一個(gè)校驗和進(jìn)行檢測)，并偶爾重新發(fā)送某個(gè)信息。較高級的協(xié)議也可能隨機丟失信息、超時(shí)和重新初始化。當然也可以“重啟”，但是會(huì )降低系統性能。信息重發(fā)和重新啟動(dòng)經(jīng)常發(fā)生時(shí)，系統響應就會(huì )變慢。節點(diǎn)將不會(huì )以預期的速度更新，編號靠后的地址或線(xiàn)路末端的節點(diǎn)可能很少更新，因為重新啟動(dòng)經(jīng)常將主控信號發(fā)回到序列中的第一個(gè)節點(diǎn)。在有現實(shí)環(huán)境干擾的現場(chǎng)，系統性能可能比在實(shí)驗室中進(jìn)行系統測試和驗證時(shí)觀(guān)察到的要差。協(xié)議差錯檢驗和恢復應該只處理極少發(fā)生的事件。在正常工作情況下能看到通信差錯時(shí)，就要采用隔離。

其他有可能需要隔離的跡象是出現現場(chǎng)故障和早期產(chǎn)品退貨。退回的產(chǎn)品遭損壞或報告有通信故障嗎？潛在的現場(chǎng)故障和安裝時(shí)損壞的組件都要考慮。正確使用隔離可以保護收發(fā)器免受某些配線(xiàn)差錯的影響，否則這些配線(xiàn)差錯可能損壞標準收發(fā)器。當地的閃電風(fēng)暴是否使故障增多？隔離的收發(fā)器提供額外的保護，以免受到電氣浪涌和高的地電位差影響。

另外還有一個(gè)跡象，即標準的(非隔離)RS485不夠可靠。某種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)有可能以不可預知的方式運作，而其他類(lèi)型的節點(diǎn)也將一致做出響應。例如，不可預測的節點(diǎn)可能是大樓控制系統中的一個(gè)大型風(fēng)扇控制器。相比之下，溫度、濕度和空氣流動(dòng)傳感器節點(diǎn)則表現得符合規則。風(fēng)扇電動(dòng)機輻射電氣噪聲，并將高的諧波分量傳導到局部接地回路中。另外，風(fēng)扇控制器常常在連接到有20個(gè)或更多節點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò )時(shí)表現尤其不佳。節點(diǎn)較多的網(wǎng)絡(luò )有額外的菊花鏈配線(xiàn)連接，這在兩條差分數據線(xiàn) A 和 B 上增加了電容，也增加了電容失衡。數據線(xiàn)上的電容失衡往往導致將共模信號轉換成錯誤的差分信號，從而引起通信差錯。這是風(fēng)扇控制器在大型網(wǎng)絡(luò )上通信不好的情況舉例。具有一條公共基準導線(xiàn)的隔離通過(guò)吸收共模信號以減輕這個(gè)問(wèn)題，因此防止通過(guò)電容失衡轉換成差分信號。

將隔離帶來(lái)的好處最大化

對任何網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品來(lái)來(lái)說(shuō)，隔離都是一個(gè)可行的改進(jìn)方法。一個(gè)隔離的通信接口可以減輕顯現的問(wèn)題，使通信更可靠，并使網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品能夠承受極端條件。

圖5顯示了在一個(gè)半雙工網(wǎng)絡(luò )中，采用LTM2881隔離式RS485收發(fā)器的典型應用和配線(xiàn)。該電路證明，將一條基準導線(xiàn)或屏蔽層連接到每個(gè)隔離式收發(fā)器的公共點(diǎn)是一個(gè)好的嘗試。它應該在一個(gè)點(diǎn)連接到基準或地。如果還會(huì )使用一個(gè)單獨的屏蔽層，那么它應該連接到相同作為基準線(xiàn)的大地的地點(diǎn)。這條基準線(xiàn)強制所有收發(fā)器的公共點(diǎn)處于相同的電平，從而消除了接收器的共模信號。相比之下，屏蔽層只能在耦合的噪聲到達數據線(xiàn)之前將其分流掉。