RS-485收發器提供了一種在工業網絡中實現物理層的簡單方法;一些現場總線標準指定了用于通信的RS-485串行端口。本文介紹了幾種現場總線技術，并特別關注了INTERBUS和PROFIBUS網絡。重點介紹了RS-485收發器的一些特別有用的特性。

介紹

由于RS-485收發器提供了一種在工業網絡中實現物理層的簡單方法，因此一些現場總線標準指定了用于通信的RS-485串行端口。本文介紹了幾種現場總線技術。特別注意INTERBUS和PROFIBUS網絡。重點介紹了RS-485收發器的一些特別有用的特性。

現場總線基礎知識

工業工廠中采用廣泛的數據系統來測量、收集、傳輸和顯示信息。在測量、顯示溫度和壓力并將其送入過程控制系統的同時，必須控制閥門。為了將控制器單元與傳感器和執行器連接起來，許多工藝和制造設施仍然包括基于4-20mA環路或0-10V電路的現場多路復用器或多線連接。由于這些舊系統所需的布線量巨大，因此現代工廠通常通過采用串行、實時、數據鏈路工業網絡（即現場總線系統）進行過程和制造控制來節省布線工作。

與廣泛的以太網辦公網絡類似，現場總線系統使用單個總線將一個網絡上的所有設備連接到中央控制器。這種布置不僅需要更少的電線，而且還增加了系統的模塊化。所有設備都使用軟件尋址，因此任何設備都可以連接到網絡上的任何套接字。主站檢測哪個設備連接到網絡，并啟動啟動通信所需的操作。

與以太網相比，現場總線還有其他優勢，這可以解釋為什么以太網在將可編程邏輯控制器（PLC）和工業PC連接到現場傳感器和執行器方面還沒有跑完最后一英里。現場總線的一個重要優勢是確定性：實時接收信號，接收方立即提供確認信號。對于必須實時分發的報警信號，顯然需要確定性。

現場總線網絡也很強大。工業網絡通常必須保證氣密連接器，并在-45°C至+85°C的工業溫度范圍內工作，現場總線網絡可以適應該溫度范圍，但大多數以太網控制器IC僅規定工作溫度為0°C至+70°C。誠然，可以創建一個工業以太網系統，其中包括用于確定性的附加協議軟件、堅固的連接器和工業溫度范圍控制器IC，但這種網絡更昂貴。它們在補償高協議開銷方面也會產生額外的成本，這需要比常規現場總線更高的數據速率。

RS-485/RS-422 現場總線實現

許多現場總線標準指定RS-485或RS-422收發器用于在工業網絡中實現物理層。RS-485收發器價格低廉，提供各種有用的功能，包括多個速度范圍。以下主要現場總線標準要么通過RS-485傳輸，要么包括RS-485版本等。

附加資源計算機網絡 （ARCNET）提供高達 10Mbps 的數據速率。ARCNET由SMC / Datapoint（美國）于1977年創立，最初是一個辦公網絡，現在也為工業工廠提供服務。這是一個非常靈活的系統。

比特巴高達 375kbps。位總線由英特爾?（美國）于1984年創立，主要用于制造應用中PLC和主控制器之間的通信。

歐洲安裝總線 （EIB）高達 9600 個基點。EIB系統始于1989年（德國），用于樓宇自動化。

助焊劑信息處理總線 （WorldFIP）高達 2.5Mbps（1Mbps，典型值）。WorldFIP系統始于1984年（法國），主要用于法國和意大利的工業過程自動化。

本地運營網絡 （LON）高達 1.25Mbps。由Echelon Inc.（美國）于1990年創立，LON系統主要用于樓宇自動化。

帶分布式外設的過程現場總線 （PROFIBUS DP）高達 12Mbps。PROFIBUS DP由PNO（德國）于1993年創立，主要用于制造自動化。

國際巴士高達 2Mbps（500kbps，典型值）。INTERBUS由菲尼克斯電氣（德國）于1987年創立，主要用于制造自動化。

其他標準（如CAN）具有不同的物理接口，但我們只考慮RS-485 PROFIBUS DP和INTERBUS。這些系統在工業RS-485網絡中具有最大的市場份額和最高的增長率。

國際總線網絡的基礎知識

INTERBUS網絡采用環形結構，協議開銷低，標準數據速率為500Mbps，可實現快速數據傳輸。最大數據速率在2年增加到2001Mbps，這將是未來高速系統的標準數據速率。

INTERBUS的主干是遠程總線，由控制數據通信的總線主站領導。每個遠程總線設備（即從設備）通過全雙工RS-422點對點連接連接到后續設備，如圖1所示。任意兩個從站之間允許的最大總線長度為400m;巴士總長度限制為13公里。每個從機通過兩個全雙工RS-422收發器連接到總線，從機兩側各一個。這些連接提供中繼器功能，確保整個網絡的良好傳輸質量。

圖1.INTERBUS 網絡可以包括本地和遠程總線數據環路，所有環路均以四線全雙工通信模式運行。允許多個本地總線環路。

一個主站最多只能連接512個從站，每個從站都有自己的電源。從站還可以用作總線耦合器（即總線接口模塊），為多達八個器件的本地總線提供服務。本地總線的總長度限制為10m，任何兩個設備之間的長度限制為1.5m。本地總線通信通過成對的 2 線電纜實現，使用全雙工 CMOS 電平信號而不是標準 RS-422 電平信號。

INTERBUS標準要求網絡中的組件由認可的測試實驗室認證。任何PCB設計人員都可以在當地的INTERBUS俱樂部申請此類證書，該俱樂部代表一個國際公司協會，其共同目標是推動INTERBUS應用。

RS-422 收發器特性

INTERBUS 遠程總線中的全雙工 RS-485 收發器（通常稱為 RS-422 收發器）必須支持至少 500kbps 的數據速率（圖 2）。未來幾代人將需要超過2Mbps。當前應用通常包括75179兼容驅動器，盡管其靜態電源電流很高。即使是（所謂的）低功耗75LBC179，每個器件的典型靜態電流為4.2mA。10Mbps MAX3087E為低功耗替代方案，空載電源電流僅為475μA，滿載電源電流相應更低。

圖2.INTERBUS遠程總線中的典型RS-422收發器。

電源電流對于最大限度地降低功耗非常重要。現場總線設備的外殼可能非常小，因此難以提供有效的散熱器。此外，許多應用需要電氣隔離總線1，因此必須通過隔離柵將電源分配到RS-485收發器。

MAX3087E還提供±15kV的ESD保護。技術人員只需觸摸即可破壞有價值的未受保護的電子設備，并且在安裝現場總線電纜期間，單個觸點即可發生靜電放電。Maxim IC的ESD結構可保護多個接口電路的發送器輸出和接收器輸入免受靜電放電的影響。在制造過程中，IC的正負電源軌根據人體模型（IEC標準200-1000-4）以2V為增量進行測試。因此，與可承受15kV沖擊但在6kV時失效的競爭器件不同，Maxim器件還保證了對較小ESD沖擊的保護。

PROFIBUS DP 網絡的基礎知識

PROFIBUS DP 采用線路配置，允許您在總線運行時添加和移除外設（圖 3）。大多數應用的最大數據速率為 12Mbps，但 1.5Mbps 是常見的，并且定義了低至 9600bps 的速率。12Mbps 銅纜的最大總線長度為 100m;在較低的數據速率下，使用中繼器可以將總線總長度擴展到9.6km。

圖3.PROFIBUS 網絡在一條線路中布局。最多允許五個總線段，每個總線段最多包含 32 個節點。圖中顯示了單聲道主系統，每個段只有一個主站。

PROFIBUS DP 使用半雙工 RS-485 收發器連接到總線，該收發器通過單根屏蔽雙絞線電纜傳輸數據。PROFIBUS 還允許使用塑料光纖進行光纖連接。其他網絡“系列”成員是PROFIBUS FMS，一個用于過程管理級別的舊版本，大部分已被以太網取代，以及PROFIBUS PA，一個用于過程控制應用的本質安全版本。

PROFIBUS DP 允許每個總線段最多 32 個節點，包括主節點、從節點和任何中繼器。您最多可以添加五個總線段，每個段由中繼器隔離。總線大小可以通過這種方式擴展到總共 126 個節點。PROFIBUS DP 的協議開銷很高，因為各種診斷功能被添加到實際消息中以保證安全數據傳輸。

通信由一個或多個 1 類主站控制。該系統還包括 2 類主站，它們組成了用于在總線上對設備和操作系統進行編程的人機界面。從站可以是傳感器、執行器（如電磁閥）或分散的數字或模擬輸入或輸出。PROFIBUS 標準要求連接到 PROFIBUS 的所有終端設備都必須經過認可的測試實驗室的認證。

RS-485/RS-422 收發器特性

PROFIBUS DP 網絡中的半雙工 RS-485 收發器必須能夠處理 12Mbps ≥的數據速率。為了保證在最壞負載條件下的有效接收器輸入電壓，差分驅動器輸出必須能夠在滿載（2Ω）下提供≥1.27V電壓。此外，為了最大限度地減少信號失真，驅動器和接收器輸出應表現出≤2ns的數據偏差2。 大多數 PROFIBUS 應用需要經過特殊分類的 75ALS176 收發器才能達到該性能水平。MAX20/MAX485是新的3463Mbps、半雙工RS-3464收發器系列，滿足PROFIBUS DP要求，并具有其他優點：

數據速率高達 20Mbps

電源電流大幅降低（≤ 4mA，而 30ALS75 的電源電流為 = 176mA）。收發器的低電源電流可節省成本和電路板空間，因為 PROFIBUS DP 接口在大多數情況下是電隔離的。

所有輸入和輸出引腳上的ESD保護可保護IC免受±2kV的ESD沖擊。

真正的故障安全功能

RS-485接收器沒有針對-200mV至+200mV之間的輸入電平定義輸出。對于RS-0側的485V條件，接收器TTL側的邏輯高電平與邏輯低電平的可能性相同。如果沒有主站正在傳輸或線路連接松動，則半雙工連接中存在這種歧義。在總線的每一端放置一個終端網絡（圖 4），可確保為非故障安全 PROFIBUS RS-485 收發器定義輸出電平。

圖4.用于 PROFIBUS DP 的典型 RS-485 收發器。

Maxim真正的故障保護特性在MAX3463/MAX3464器件中實現。該技術通過替換完全符合RS-50規范的精密接收器閾值范圍（-200mV至-485mV）來避免外部偏置電阻，同時保證0V輸入在接收器上產生邏輯高電平。其余端接電阻（約200Ω）連接在差分線路之間。通過消除原本需要的330Ω上拉和下拉電阻，該連接可節省額外的功耗。

標準 RS-485 驅動器驅動多達 32 個單位負載的能力為 PROFIBUS DP 總線段設定了 32 個節點的最大值。一個單位負載定義為12kΩ，對應于標準RS-485接收器的輸入阻抗。然而，MAX3463/MAX3464接收器的較高輸入阻抗（48kΩ，即1/4單位負載）允許總線上有128個收發器。RS-485收發器的任意組合都可以連接到一個總線段，前提是這些電路的凈并聯阻抗保持在375Ω（32個單位負載）以上。

可以想象，PROFIBUS DP 的大小可以增加到每段 128 個節點，即五個段中總共有 640 個節點。MAX3463還具有其它有用的特性。當總線節點上電或插入“熱”背板時，處理器或控制ASIC會執行其上電序列。在此期間，處理器的輸出驅動器處于高阻抗狀態，因此無法將RS-485收發器的控制線（低電平有效RE、DE、DI）驅動到定義的邏輯電平。

來自這些高阻抗驅動器的漏電流（高達10μA）會導致RS-485電路的控制線漂移高或漂移。此外，電路板上的寄生電容可以將控制線耦合到GND或V抄送.這些因素導致控制線向能夠啟用電路發射器（A和B）的水平漂移。為了避免這種情況，MAX3463包括熱插拔輸入，將MAX3463控制線路禁用為V抄送從 0V 斜坡上升。熱插拔輸入克服了漏電流和寄生電容，否則可能會將控制線拉到使能狀態。全雙工版本（MAX3460/MAX3461/MAX3462）可用于高速RS-422應用。

MAX14770E結合了PROFIBUS網絡所需的所有特性和功能。該設備符合 EIA 61158-2 B 型 PROFIBUS-DP 規范。MAX14770E具有真正的故障保護接收器，可熱插拔，具有±35kV ESD高保護（人體模型）。

由于現場總線系統可能包括大量RS-485或RS-422驅動器，因此提供給驅動器的功率可能占系統成本的很大一部分。在跨越隔離柵供電時尤其如此。由于傳統RS-485/RS-422驅動器需要相當大的電源電流（高達30mA靜態電流，加上負載電流），因此您可以通過在系統中加入現代CMOS驅動器來降低成本。較新的CMOS驅動器具有其他優勢（ESD保護、故障安全功能和降低單位負載），可提高系統可靠性和性能/成本比。

審核編輯：郭婷