設計用于自動(dòng)化的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

數據速率

所有通信網(wǎng)絡(luò )的基本功能都是在不同地點(diǎn)之間傳輸數據。數據速率是在一定時(shí)間內傳輸的數據量。但是，不同網(wǎng)絡(luò )的數據速率可以采用不同方法測量。對于模擬通信（如 4-20mA）來(lái)說(shuō)，速率受到電路元件帶寬的限制。對于數字通信，速率取決于每秒傳輸的比特數（二進(jìn)制數字）以及對于相關(guān)應用實(shí)際傳輸的有效比特比例。

與網(wǎng)絡(luò )速度相關(guān)的另一個(gè)參數是數據時(shí)延，即：從一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送數據到另一個(gè)節點(diǎn)收到數據的時(shí)間間隔。數據速率、收發(fā)器傳播延遲、介質(zhì)傳播延遲和協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)都會(huì )影響數據時(shí)延。

收發(fā)器傳播延遲一般在 1 微秒以下；介質(zhì)（光纖或銅線(xiàn)）的傳播延遲只有光速的幾分之幾，因此每米線(xiàn)纜的延遲約為 3～5 納秒。所以，只有在超長(cháng)線(xiàn)纜（或超高速網(wǎng)絡(luò )）中介質(zhì)延遲才較為明顯。協(xié)議延遲是指，除了消息的數據有效負載之外所需的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)（奇偶校驗、尋址、錯誤檢測、握手位）造成的延遲。該延遲隨網(wǎng)絡(luò )標準的不同而各異，但是對于格式復雜的較高級協(xié)議比較明顯。

數據速率與數據時(shí)延差異說(shuō)明如下：

高數據速率／數據時(shí)延大 - 收聽(tīng)西班牙語(yǔ)體育節目的錄音帶

低數據速率／數據時(shí)延小 - 通過(guò)電話(huà)收聽(tīng) James Earl Jones 實(shí)況節目

噪聲抗擾度

工業(yè)環(huán)境面臨大電流組件產(chǎn)生的挑戰，如：馬達、電泵、開(kāi)關(guān)電源、焊接設備以及機器人技術(shù)等。為了確?？煽康木W(wǎng)絡(luò )運行，必須具備對上述噪聲源的抗擾能力。物理層需要合理接地、絕緣以及收發(fā)器功能。網(wǎng)絡(luò )中的高信號電平會(huì )提高信噪比。盡可能高的接收機閾值電平（常稱(chēng)為“噪聲抑制”）可以從噪聲中分辨出有效信號。接收機閾值的滯后作用可以降低信號轉換過(guò)程中噪聲造成錯誤開(kāi)關(guān)的可能性。 圖2說(shuō)明滯后作用是如何提高噪聲抑制的。

圖2: 接收機閾值滯后作用

不過(guò)，上述每種噪聲抗擾度的改善都需要付出一定代價(jià)。高信號電平需要更高的功率，因而有可能對其他組件產(chǎn)生噪聲。高接收機閾值意味著(zhù)系統更易出現介質(zhì)信號損失，從而縮短允許的網(wǎng)絡(luò )長(cháng)度。接收機滯后作用在不合理均衡的情況下會(huì )產(chǎn)生傳播延遲和脈寬失真。請注意在圖 2 中，滯后作用下的接收機輸出與無(wú)滯后作用時(shí)相比出現微小的響應延遲。

網(wǎng)絡(luò )長(cháng)度

網(wǎng)絡(luò )的另一個(gè)指標是數據能夠傳輸的距離。工業(yè)網(wǎng)絡(luò )通常需要較消費類(lèi)、計算機或車(chē)載應用更長(cháng)的連接距離。限制可允許的網(wǎng)絡(luò )長(cháng)度的因素包括：介質(zhì)損耗與電噪聲感應 (Noise pickup) （二者都會(huì )影響信噪比）以及介質(zhì)的傳播延遲（影響時(shí)延）。

無(wú)論介質(zhì)是銅線(xiàn)、光纖還是無(wú)線(xiàn)電都會(huì )出現損耗。光纖損耗極低（λ=1310 nm 時(shí)為 0.3 dB/1000m），因此采用光網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現超長(cháng)距離的連接。典型的雙絞線(xiàn)銅線(xiàn)具有較高的損耗，頻率為 1 MHz 時(shí)每 100 米的損耗約為 1.5dB～5dB。如欲了解有關(guān)各種網(wǎng)絡(luò )的典型線(xiàn)纜衰減對比，請參見(jiàn)圖 4 。

TIA/EIA-485-A 標準 (RS-485) 規定的單位負載將假設的電流－電壓負載單位定義為對比收發(fā)器的依據。RS-485 收發(fā)器提供額定 1/8 單位負載，在不超過(guò)標準情況下在同一總線(xiàn)上允許掛接多達 8′32 或 256 個(gè)收發(fā)器。

圖4 ：雙絞線(xiàn)線(xiàn)纜每單位長(cháng)度衰減與頻率的關(guān)系圖

網(wǎng)絡(luò )標準通過(guò)要求比接收電平高得多的發(fā)送信號幅度來(lái)彌補介質(zhì)損耗。例如，RS-485 信令要求至少 1.5 V 的驅動(dòng)器輸出以及 200 mV 的接收機閾值。這樣可以產(chǎn)生 7.5 的系數，或者 17.5dB 余量，這使低信令速率下的線(xiàn)纜長(cháng)度可允許達到 1,200 米左右。表 3 顯示了典型工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的計算范例。請注意：確定最長(cháng)允許網(wǎng)絡(luò )長(cháng)度時(shí)介質(zhì)損耗并非唯一需要考慮的因素。