Profibus總線(xiàn)在雙絞線(xiàn)上實(shí)現12M速率的初步研究

隨著(zhù)現代工業(yè)系統的發(fā)展,RS485總線(xiàn)已是用于工業(yè)系統中通信的最主要也是最普及的通信方式之一。Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)的最高速率可12M，但通信距離很小。為擴大通信距離，需要實(shí)現傳輸的中繼。研究在一對雙絞線(xiàn)上傳輸12M速率的RS485信號，便是為實(shí)現12M速率的Profibus總線(xiàn)的傳輸中繼與傳輸轉換。

實(shí)現原理

Profibus總線(xiàn)采用一對RS485差分數字信號在一對雙絞線(xiàn)上傳輸雙向數據，兩個(gè)方向數據在雙絞線(xiàn)上是分時(shí)傳輸的，信號的傳輸方向在某一時(shí)間只能向一個(gè)方向傳輸，在另一時(shí)間可以向另外一個(gè)方向傳輸。

為Profibus總線(xiàn)的中繼原理是：中繼器(或其他傳輸設備)同時(shí)監視兩側的RS485總線(xiàn)，當有一方(這里簡(jiǎn)稱(chēng)A側，另一側則簡(jiǎn)稱(chēng)B側，以下同)總線(xiàn)有數據時(shí)，立即接收數據，如果B側的總線(xiàn)沒(méi)有使用，就將剛從A方接收的數據傳到B側端，并驅動(dòng)B側的雙絞線(xiàn);在這一過(guò)程中，如果A鍘的數據已停，總線(xiàn)上已沒(méi)有數據，又回到初始的雙向監視狀態(tài)。在信號從B向傳向A向的數據也是同樣的過(guò)程。

為此實(shí)現Profibus總線(xiàn)的中繼與傳輸，需要識別信號的傳輸方向、完成雙向數據的接收與轉發(fā)、接收雙絞線(xiàn)上差分電信號與驅動(dòng)雙絞線(xiàn)以及完成傳輸的信號轉換等。

雙向控制

實(shí)現RS485信號傳輸的雙向識別的方法很多，對于低速的RS485信號傳輸，可以采用兩個(gè)異步串行接口單元，一個(gè)單元接收，另一個(gè)單元轉發(fā)。但當速率提高到12M時(shí)，完成這樣的功能的可實(shí)現單元就很少了，且價(jià)格都很昂貴。為此，我們應研究一種更為低成本的雙向數據流控制的實(shí)現方案。

結合現代同步傳輸理論，傳輸的本質(zhì)信號的轉移，對一向RS485這樣的二值電平信號的傳輸就是信號電平及邊沿的轉移，為此，我們可以研究信號電平及邊沿的轉移特性，經(jīng)期采用這樣的特性實(shí)現RS485信號的傳輸。

在同步信號傳輸中，為滿(mǎn)足信號的傳輸質(zhì)量，要求信號的傳輸邊沿抖動(dòng)特性符合一定的要求，通常要求瞬時(shí)抖動(dòng)時(shí)間小于其數字單比特周期的1/16(比如電信網(wǎng)中的基群信號的傳輸瞬時(shí)抖動(dòng)要求)。在異步數據通信中(比如CPU的串行接口或多種串品收發(fā)電路)，通常采用16倍的信號時(shí)鐘讀取異步數據，如果采用16次采樣的中間三次取得數據的值，則在接收信號時(shí)，一個(gè)有效的數據比特時(shí)間應最少是總周期的10/16，也就是說(shuō)，允許接收端有單比特的6/16的時(shí)間抖動(dòng)(這一結論的前提是16次采樣并取三次有效)，假定信號在傳輸過(guò)程中可能引起的超前與滯后為等概率，則采樣周期應小于傳輸數據周期的1/5，所以，要完成點(diǎn)對點(diǎn)的RS485雙向數據通信，若采用數字信號電平轉移的方式，最少需要采樣率為最高速率的5倍(這一結果仍是基于16倍采樣，中間三次取值的前提得出的)。為了能適應大多數據的接收器允許的誤差，滿(mǎn)足傳輸誤碼率的要求，通常要求傳信號的速率要高于12倍的最高信號比特率。

基于上述，要取得有效的12M數據，需要144M以上的采樣速率完成信號識別。

同時(shí)，在完成信號識別到處理信號的收發(fā)控制應在約6ns的時(shí)間。

為完成信號的驅動(dòng)，需要知道何時(shí)數據結束，對于傳輸12M的Profibus總線(xiàn)數據，如何識別傳輸數據的結速是一個(gè)難題。為此，應建立專(zhuān)用的總線(xiàn)空閑標識，以決定何時(shí)可以同時(shí)監測兩側的數據。

總線(xiàn)接收與驅動(dòng)

在實(shí)現Profibus總線(xiàn)雙向中繼傳輸時(shí)，信號的接收與驅動(dòng)需要有特殊的要求，對于12M的信號，其周期約為80ns，為達到更高的精度要求，防止信號的崎變對傳輸影響，信號的上升沿與下降沿都要有時(shí)間上的要求，比如，要達到5-8個(gè)ns，否則對信號傳輸的誤碼率將產(chǎn)生嚴重的影響。這是一般的驅動(dòng)器所做不到的。在接收端，對總線(xiàn)的快速響應時(shí)間是個(gè)重要指標，同樣要求接收信號引起的崎變要盡可能的小，并能達到傳輸對時(shí)間的要求。

信號的傳播與終端匹配

RS485信號在雙絞線(xiàn)中的傳輸特性符合傳輸線(xiàn)理論。傳輸線(xiàn)相當于一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò )，可等效成電容、電感與電阻的混合網(wǎng)絡(luò )，其輸入與輸出阻抗特性因型號的不同而不同;選用Profibus總線(xiàn)專(zhuān)用雙絞線(xiàn)，等效阻抗為120歐。等效阻抗不是一個(gè)絕對值，是相對于傳輸信號的頻率而變化的，當信號的頻率很高時(shí)，期電容特性表現明顯，所以，對于傳輸12M的數據信號，表現為低阻容性負載，吸收信號的能量快，使傳輸距離變短。另外，在通信中傳輸的信號是以邊沿計時(shí)的，邊沿等效為多外高次諧波的疊加，而在傳輸中，傳輸線(xiàn)對高頻的信號吸收過(guò)快，從而引起信號的崎變加大，當崎變到一定程度時(shí)，在接收端不能正確的接收數據，從而進(jìn)一步使傳輸距離變短。

信號從發(fā)送端進(jìn)入雙絞線(xiàn)后，傳到另一端，如果終端阻抗不匹配，則回引起回波反射，阻抗的不匹配程序可以引起反射波的幅度與相位都不相同，當一端為低阻網(wǎng)絡(luò )時(shí)，會(huì )吸收掉網(wǎng)絡(luò )上的大部分網(wǎng)絡(luò )，但也會(huì )造成傳輸能量的大量損耗，使傳輸距離大大受影響。正如上面所說(shuō)，當數字信號在傳輸線(xiàn)上傳輸時(shí)，其高頻成份在還不能到達傳輸線(xiàn)的另一端時(shí)已被完全吸收，而低次頻率份量則還會(huì )傳到對端在阻抗不匹配時(shí)產(chǎn)生反射。我們需要做的就是，在倍傳輸過(guò)程中，讓吸收的程序與反射的程序都降到較小，以達到我們最好的傳輸質(zhì)量。

終端匹配網(wǎng)絡(luò )是減小反射的一種方法，可以有效降低信號的對傳輸的影響。當信號傳輸到12M速率時(shí)，因高頻信號衰減太快，為使信號能夠被識別，只有縮短傳輸距離，所以高速Profibus總線(xiàn)的傳輸距離要比低速總線(xiàn)短很多。

在信號傳輸時(shí)，信號在傳輸線(xiàn)中每1ns大約傳輸17cm，要傳輸一個(gè)12M的信號，如果采樣率約為6ns，則在約1米的傳輸線(xiàn)上傳送著(zhù)以個(gè)可以被部?jì)?yōu)別的時(shí)間傳輸單元，加上傳輸的驅動(dòng)器與接收器的延時(shí)，會(huì )對信號的控制產(chǎn)生更大難度。

測試結果

通過(guò)采用勾股通信NS21 Profibus總線(xiàn)通信模塊的測試，在通常的120歐匹配網(wǎng)絡(luò )的前提條件下，傳輸雙工的RS485數據，在達到12M的速率時(shí)，可以傳輸約10米的距離，這一性能與采用SIMENS的S300 系列PLC產(chǎn)品直接互連時(shí)測試的結果基本相同。并通過(guò)現場(chǎng)應用測試。

結束語(yǔ)

通過(guò)高速與有效的控制，可以實(shí)現全速率的Profibus總線(xiàn)的雙向總線(xiàn)中繼與傳輸。