PROCENTEC 等行業(yè)表明，基于 RS-485 的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) (PROFIBUS ? ) 的采用穩(wěn)步增長(zhǎng)，而工業(yè)以太網(wǎng) (PROFINET) 的應(yīng)用則快速增長(zhǎng)。2018年，安裝了6100萬(wàn)個(gè)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)，PROFIBUS過(guò)程自動(dòng)化（PA）同比增長(zhǎng)7%。PROFINET 安裝基礎(chǔ)為 2600 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，僅 2018 年就安裝了 510 萬(wàn)臺(tái)設(shè)備。1個(gè)

隨著 RS-485 現(xiàn)場(chǎng)總線采用率的穩(wěn)步增長(zhǎng)和工業(yè) 4.0 加速智能互聯(lián)工廠的部署，確保現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得到優(yōu)化有助于實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)。優(yōu)化的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)必須仔細(xì)平衡 EMC 魯棒性和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

不可靠的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)降低整體系統(tǒng)性能。在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)總線通常用于單軸或多軸電機(jī)的閉環(huán)位置控制。高數(shù)據(jù)速率和長(zhǎng)電纜很常見(jiàn)，如圖 1 所示。如果位置控制不可靠，那么性能下降實(shí)際上意味著機(jī)器吞吐量質(zhì)量下降和工廠生產(chǎn)率降低。在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)總線通常用于天線的傾斜/位置控制，其中準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。在運(yùn)動(dòng)控制和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，需要不同級(jí)別的 EMC 保護(hù)，如圖 1 所示。運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用通常在電氣噪聲環(huán)境中運(yùn)行，這可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。相比下，

對(duì)于這些要求苛刻的應(yīng)用，需要仔細(xì)檢查電纜上的 RS-485 收發(fā)器定時(shí)性能，以確保系統(tǒng)可靠以及 EMC 特性。本文介紹了一些關(guān)鍵的系統(tǒng)時(shí)序和通信電纜概念；提供關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括時(shí)鐘和數(shù)據(jù)分配以及電纜驅(qū)動(dòng)能力；并展示了使用下一代 RS-485 收發(fā)器對(duì)工業(yè)應(yīng)用的好處。

當(dāng)考慮在長(zhǎng)電纜上以高數(shù)據(jù)速率進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，時(shí)序性能概念（例如抖動(dòng)和時(shí)滯）——通常與低壓差分信號(hào) (LVDS) 有關(guān)——對(duì) RS-485 變得很重要。需要檢查由 RS-485 收發(fā)器和系統(tǒng)電纜添加的抖動(dòng)和偏斜。

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圖 1. RS-485 的 EMC、數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度。（ Devices）

抖動(dòng)可以量化為時(shí)間間隔誤差，特別是信號(hào)轉(zhuǎn)換的預(yù)期到達(dá)時(shí)間與實(shí)際轉(zhuǎn)換到達(dá)時(shí)間之間的差異。在通信鏈路中，抖動(dòng)有多種因素。每個(gè)貢獻(xiàn)者本質(zhì)上都可以廣泛地描述為隨機(jī)或確定性的。隨機(jī)抖動(dòng)可以從其高斯分布中識(shí)別出來(lái)，它源于半導(dǎo)體內(nèi)的熱噪聲和寬帶散粒噪聲。確定性抖動(dòng)來(lái)自通信系統(tǒng)內(nèi)的來(lái)源；例如，占空比失真、串?dāng)_、周期性外部噪聲源或符號(hào)間干擾。在使用 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)速率低于 100 MHz，其中這些確定性抖動(dòng)效應(yīng)優(yōu)于隨機(jī)效應(yīng)。

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)

重疊過(guò)渡的寬度是峰峰值抖動(dòng)，中間的開(kāi)放區(qū)域稱為眼圖。該眼圖是位于長(zhǎng) RS-485 電纜遠(yuǎn)端的接收節(jié)點(diǎn)可用于采樣的區(qū)域。更大的眼寬為接收節(jié)點(diǎn)提供了更寬的采樣窗口，并降低了錯(cuò)誤接收位的風(fēng)險(xiǎn)?？捎醚蹐D主要受 RS-485 驅(qū)動(dòng)器和接收器以及互連電纜的確定性抖動(dòng)影響。

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圖 3. RS-485 通信網(wǎng)絡(luò)中抖動(dòng)的主要貢獻(xiàn)者。（ Devices）

當(dāng)信號(hào)邊沿的到達(dá)時(shí)間受到沿該邊沿前進(jìn)的數(shù)據(jù)模式的影響時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)符號(hào)間干擾 (ISI)。符號(hào)間干擾效應(yīng)在電纜互連較長(zhǎng)的應(yīng)用中變得突出，使 ISI 成為 RS-485 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。較長(zhǎng)的互連會(huì)產(chǎn)生 RC 時(shí)間常數(shù)，其中電纜電容在單個(gè)位周期結(jié)束時(shí)尚未完全充電。在傳輸數(shù)據(jù)僅包含時(shí)鐘的應(yīng)用中，不存在這種形式的符號(hào)間干擾。符號(hào)間干擾也可能由電纜傳輸線上的阻抗不匹配、線路短截線或終端電阻器使用不當(dāng)引起。

可容忍的峰峰值抖動(dòng)百分比高度依賴于應(yīng)用，通常使用 10% 的抖動(dòng)來(lái)衡量 RS-485 收發(fā)器和電纜性能的組合。過(guò)度抖動(dòng)和偏斜的組合會(huì)影響接收 RS-485 收發(fā)器的采樣能力，增加通信錯(cuò)誤的可能性。在正確端接的傳輸網(wǎng)絡(luò)中，選擇經(jīng)過(guò)優(yōu)化以限度地減少收發(fā)器脈沖偏移和符號(hào)間干擾影響的收發(fā)器會(huì)產(chǎn)生更可靠、無(wú)差錯(cuò)的通信鏈路。

RS-485 收發(fā)器設(shè)計(jì)和電纜效應(yīng)

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 標(biāo)準(zhǔn)3 提供了 RS-485 發(fā)射器和接收器的設(shè)計(jì)和工作范圍的規(guī)范，包括電壓輸出差分 (VOD)、短路特性、共模負(fù)載，以及輸入電壓閾值和范圍。TIA-485-A/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)中未指定 RS-485 時(shí)序性能，包括偏移和抖動(dòng)，由 IC 供應(yīng)商根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表規(guī)范進(jìn)行優(yōu)化。

其他標(biāo)準(zhǔn)，例如 TIA-568-B.2/EIA-568-B.2、雙絞線布線的電信標(biāo)準(zhǔn)4 為電纜交流和直流對(duì) RS-485 信號(hào)質(zhì)量的影響提供了背景。該標(biāo)準(zhǔn)提供了抖動(dòng)、偏斜和其他時(shí)序測(cè)量的注意事項(xiàng)和測(cè)試程序，并設(shè)置了性能限制；例如，允許的 5e 類電纜偏差為每 100 米 45 ns。閱讀增強(qiáng)的 RS-485 性能，了解有關(guān) TIA-568-B.2/EIA-568-B.2 標(biāo)準(zhǔn)以及使用非理想布線對(duì)系統(tǒng)性能的影響的更多信息。

雖然可用的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)表提供了很好的有用信息來(lái)源，但系統(tǒng)定時(shí)性能的任何有意義的表征都需要在長(zhǎng)電纜上測(cè)量 RS-485 收發(fā)器。

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圖 4. ADM3065E 典型時(shí)鐘抖動(dòng)性能。（ Devices）

使用 RS-485 進(jìn)行更快更遠(yuǎn)的通信

下一代 RS-475 收發(fā)器提供增強(qiáng)的性能，以滿足使用 TIA-485-A/EIA-485-A 等未定義偏移和抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用的需求。例如，Analog Devices的ADM3065E等 RS0485 收發(fā)器提供超低的發(fā)送器和接收器偏移性能。這允許系統(tǒng)支持時(shí)鐘的傳輸，這通常是電機(jī)編碼標(biāo)準(zhǔn)中的特征，例如 EnDat 2.2。5個(gè) 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 米的電纜線路上實(shí)現(xiàn)高達(dá) 35 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。

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圖 6. ADM3065E 接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)出色的抖動(dòng)性能。（ Devices）

對(duì)于使用 EnDat 2.2 編碼器協(xié)議傳輸?shù)拿總€(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)與時(shí)鐘下降沿同步傳輸。圖 7 說(shuō)明了在初始計(jì)算位置 (TCAL) 之后，起始位開(kāi)始將數(shù)據(jù)從編碼器傳輸回主控制器。隨后的錯(cuò)誤位（F1、F2）指示編碼器故障何時(shí)會(huì)導(dǎo)致位置值不正確。然后編碼器傳輸一個(gè)位置值，從 LS 開(kāi)始，隨后是數(shù)據(jù)。時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)完整性對(duì)于通過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸成功的位置和錯(cuò)誤信號(hào)至關(guān)重要，EnDat 2.2 規(guī)定抖動(dòng)為 10%。EnDat 2.2 規(guī)定在 20 米的電纜上以 16 MHz 時(shí)鐘速率運(yùn)行。圖 4 顯示這些要求僅需 5% 的時(shí)鐘抖動(dòng)即可滿足，

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圖 7. EnDat 2.2 物理層和具有時(shí)鐘/數(shù)據(jù)同步的協(xié)議（改編自 EnDat 2.2 的圖表）。（ Devices）

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 標(biāo)準(zhǔn)3 需要符合標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485 驅(qū)動(dòng)器以在滿載網(wǎng)絡(luò)中生成至少 1.5 V 的差分電壓幅度 VOD。這個(gè) 1.5 VOD 允許在長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度上有 1.3 V 的電壓直流衰減，RS-485 接收器指定在至少 200 mV 的輸入差分電壓下運(yùn)行。使用設(shè)計(jì)為在 5 V 供電時(shí)輸出至少 2.1 V VOD 的收發(fā)器，設(shè)計(jì)人員可以超越 RS-485 規(guī)范要求。

一個(gè)滿載的 RS-485 網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè) 54 Ω 差分負(fù)載，它模擬兩個(gè) 120 Ω 電阻器的雙端接總線，另外 750 Ω 表示 1 個(gè)單位負(fù)載或 12 kΩ 的 32 個(gè)連接設(shè)備。ADM3065E 采用專有輸出架構(gòu)，可限度地提高 VOD，同時(shí)滿足所需的共模電壓范圍，超過(guò) TIA-485-A/EIA-485-A 的要求。圖 8 說(shuō)明了收發(fā)器如何在由 3.3 V 電源軌供電時(shí)超過(guò) RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)要求 >210%，或在由 5 V 電源軌供電時(shí)超過(guò) 300%。與常規(guī) RS-485 收發(fā)器相比，這允許系統(tǒng)與更多遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)和更多噪聲容限進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的通信。

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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)

如圖 1 所示，通過(guò)相鄰的連接器和電纜直接與外界連接的 RS-485 收發(fā)器需要 EMC 保護(hù)。例如，外露的 RS-485 連接器和編碼器到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電纜上的 ESD 是一種常見(jiàn)的系統(tǒng)危害。系統(tǒng)級(jí) IEC 61800-3 標(biāo)準(zhǔn)涉及可調(diào)速的 EMC 抗擾度要求，電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要至少 ±4 kV 接觸/±8 kV 空氣 IEC 61000-4-2 ESD 保護(hù)。ADM3065E 等增強(qiáng)型收發(fā)器具有 ±12 kV 接觸/±12 kV 空氣 IEC 61000-4-2 ESD 保護(hù)，超出了這一要求。

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圖 11. 具有 ESD、EFT 和浪涌保護(hù)的完整 25 Mbps 信號(hào)和電源隔離 RS-485 解決方案。（ Devices）

對(duì)于無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，需要增強(qiáng)的 EMC 保護(hù)以防止破壞性的雷電浪涌事件。向收發(fā)器輸入添加一個(gè) SM712 TVS 和兩個(gè) 10 Ω 協(xié)調(diào)電阻器可提供增強(qiáng)的 EMC 保護(hù)——具有高達(dá) ±30 kV 61000-4-2 ESD 保護(hù)和 ±1 kV IEC 61000-4-5 浪涌保護(hù)。

為了提高電氣嚴(yán)苛電機(jī)控制、過(guò)程自動(dòng)化和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的抗噪性，可以添加電流隔離。可以使用 Analog Devices 的iCoupler ? 和iso Power ?技術(shù)為 ADM3065E 添加具有增強(qiáng)絕緣和 5 kV rms 瞬態(tài)耐受電壓的電流隔離 。ADuM231D提供所需的三個(gè) 5 kV rms 信號(hào)隔離通道，具有的定時(shí)性能，允許以高達(dá) 25 Mbps 的速率穩(wěn)健運(yùn)行。ADuM6028 _2999

下一代 RS-485 收發(fā)器的性能優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與標(biāo)準(zhǔn) RS-485 設(shè)備相比，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)、更快的通信。在 EnDat 2.2 5規(guī)定的 10% 抖動(dòng)水平下，系統(tǒng)可以在長(zhǎng) 20 m 的電纜上以 16 MHz 時(shí)鐘速率運(yùn)行，而標(biāo)準(zhǔn) RS-485 很難滿足這一要求。超過(guò) RS-485 總線驅(qū)動(dòng)要求高達(dá) 300%，可在更長(zhǎng)的電纜上提供更好的可靠性和更大的噪聲容限。通過(guò)添加i Coupler 隔離，包括 ADuM231D 信號(hào)隔離器和業(yè)界尺寸的隔離電源解決方案 ADuM6028，可以提高抗噪性。