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Profibus总线在双绞线上实现12M速率的初步研究

发布时间:2020-05-27 发布时间:
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随着现代工业系统的发展,RS485总线已是用于工业系统中通信的最主要也是最普及的通信方式之一。Profibus现场总线的最高速率可12M,但通信距离很小。为扩大通信距离,需要实现传输的中继。研究在一对双绞线上传输12M速率的RS485信号,便是为实现12M速率的Profibus总线的传输中继与传输转换。

实现原理

Profibus总线采用一对RS485差分数字信号在一对双绞线上传输双向数据,两个方向数据在双绞线上是分时传输的,信号的传输方向在某一时间只能向一个方向传输,在另一时间可以向另外一个方向传输。

为Profibus总线的中继原理是:中继器(或其他传输设备)同时监视两侧的RS485总线,当有一方(这里简称A侧,另一侧则简称B侧,以下同)总线有数据时,立即接收数据,如果B侧的总线没有使用,就将刚从A方接收的数据传到B侧端,并驱动B侧的双绞线;在这一过程中,如果A铡的数据已停,总线上已没有数据,又回到初始的双向监视状态。在信号从B向传向A向的数据也是同样的过程。

为此实现Profibus总线的中继与传输,需要识别信号的传输方向、完成双向数据的接收与转发、接收双绞线上差分电信号与驱动双绞线以及完成传输的信号转换等。

双向控制

实现RS485信号传输的双向识别的方法很多,对于低速的RS485信号传输,可以采用两个异步串行接口单元,一个单元接收,另一个单元转发。但当速率提高到12M时,完成这样的功能的可实现单元就很少了,且价格都很昂贵。为此,我们应研究一种更为低成本的双向数据流控制的实现方案。

结合现代同步传输理论,传输的本质信号的转移,对一向RS485这样的二值电平信号的传输就是信号电平及边沿的转移,为此,我们可以研究信号电平及边沿的转移特性,经期采用这样的特性实现RS485信号的传输。

在同步信号传输中,为满足信号的传输质量,要求信号的传输边沿抖动特性符合一定的要求,通常要求瞬时抖动时间小于其数字单比特周期的1/16(比如电信网中的基群信号的传输瞬时抖动要求)。在异步数据通信中(比如CPU的串行接口或多种串品收发电路),通常采用16倍的信号时钟读取异步数据,如果采用16次采样的中间三次取得数据的值,则在接收信号时,一个有效的数据比特时间应最少是总周期的10/16,也就是说,允许接收端有单比特的6/16的时间抖动(这一结论的前提是16次采样并取三次有效),假定信号在传输过程中可能引起的超前与滞后为等概率,则采样周期应小于传输数据周期的1/5,所以,要完成点对点的RS485双向数据通信,若采用数字信号电平转移的方式,最少需要采样率为最高速率的5倍(这一结果仍是基于16倍采样,中间三次取值的前提得出的)。为了能适应大多数据的接收器允许的误差,满足传输误码率的要求,通常要求传信号的速率要高于12倍的最高信号比特率。

基于上述,要取得有效的12M数据,需要144M以上的采样速率完成信号识别。

同时,在完成信号识别到处理信号的收发控制应在约6ns的时间。

为完成信号的驱动,需要知道何时数据结束,对于传输12M的Profibus总线数据,如何识别传输数据的结速是一个难题。为此,应建立专用的总线空闲标识,以决定何时可以同时监测两侧的数据。

总线接收与驱动

在实现Profibus总线双向中继传输时,信号的接收与驱动需要有特殊的要求,对于12M的信号,其周期约为80ns,为达到更高的精度要求,防止信号的崎变对传输影响,信号的上升沿与下降沿都要有时间上的要求,比如,要达到5-8个ns,否则对信号传输的误码率将产生严重的影响。这是一般的驱动器所做不到的。在接收端,对总线的快速响应时间是个重要指标,同样要求接收信号引起的崎变要尽可能的小,并能达到传输对时间的要求。

信号的传播与终端匹配

RS485信号在双绞线中的传输特性符合传输线理论。传输线相当于一个双端口网络,可等效成电容、电感与电阻的混合网络,其输入与输出阻抗特性因型号的不同而不同;选用Profibus总线专用双绞线,等效阻抗为120欧。等效阻抗不是一个绝对值,是相对于传输信号的频率而变化的,当信号的频率很高时,期电容特性表现明显,所以,对于传输12M的数据信号,表现为低阻容性负载,吸收信号的能量快,使传输距离变短。另外,在通信中传输的信号是以边沿计时的,边沿等效为多外高次谐波的叠加,而在传输中,传输线对高频的信号吸收过快,从而引起信号的崎变加大,当崎变到一定程度时,在接收端不能正确的接收数据,从而进一步使传输距离变短。

信号从发送端进入双绞线后,传到另一端,如果终端阻抗不匹配,则回引起回波反射,阻抗的不匹配程序可以引起反射波的幅度与相位都不相同,当一端为低阻网络时,会吸收掉网络上的大部分网络,但也会造成传输能量的大量损耗,使传输距离大大受影响。正如上面所说,当数字信号在传输线上传输时,其高频成份在还不能到达传输线的另一端时已被完全吸收,而低次频率份量则还会传到对端在阻抗不匹配时产生反射。我们需要做的就是,在倍传输过程中,让吸收的程序与反射的程序都降到较小,以达到我们最好的传输质量。

终端匹配网络是减小反射的一种方法,可以有效降低信号的对传输的影响。当信号传输到12M速率时,因高频信号衰减太快,为使信号能够被识别,只有缩短传输距离,所以高速Profibus总线的传输距离要比低速总线短很多。

在信号传输时,信号在传输线中每1ns大约传输17cm,要传输一个12M的信号,如果采样率约为6ns,则在约1米的传输线上传送着以个可以被部优别的时间传输单元,加上传输的驱动器与接收器的延时,会对信号的控制产生更大难度。

测试结果

通过采用勾股通信NS21 Profibus总线通信模块的测试,在通常的120欧匹配网络的前提条件下,传输双工的RS485数据,在达到12M的速率时,可以传输约10米的距离,这一性能与采用SIMENS的S300 系列PLC产品直接互连时测试的结果基本相同。并通过现场应用测试。

结束语

通过高速与有效的控制,可以实现全速率的Profibus总线的双向总线中继与传输。 


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