Все быстрее и больше с Fieldbus

Отраслевые эксперты, такие как PROCENTEC, демонстрируют устойчивый рост внедрения технологии полевых шин на основе RS-485 (PROFIBUS ^® ) и быстрый рост промышленного Ethernet (PROFINET). В 2018 году во всем мире было установлено 61 миллион узлов полевой шины PROFIBUS, при этом рост автоматизации процессов PROFIBUS (PA) составляет 7% в годовом исчислении. База установки PROFINET составляет 26 миллионов узлов, при этом только в 2018 году было установлено 5,1 миллиона устройств. ¹

В связи с постоянным ростом внедрения полевой шины RS-485 и ускорением индустриальной 4.0 развертывания умных подключенных фабрик, оптимизация технологий полевой шины помогает создать умную систему. Оптимизированные технологии полевых шин должны тщательно сочетать устойчивость к электромагнитной совместимости и надежную передачу данных.

Ненадежная передача данных снизит общую производительность системы. В приложениях управления движением fieldbus обычно используется для управления положением одноосных или многоосных двигателей с обратной связью. Обычно используются высокие скорости передачи данных и длинные кабели, как показано на рисунке 1. Если управление положением ненадежно, то ухудшение производительности с практической точки зрения означает снижение производительности машины и снижение производительности предприятия. В приложениях беспроводной инфраструктуры полевые шины обычно используются для управления наклоном / положением антенны, где важна точная передача данных. Как в приложениях управления движением, так и в приложениях беспроводной инфраструктуры требуются различные уровни защиты от электромагнитных помех, как показано на рис. 1. Приложения управления движением обычно работают в электрически зашумленной среде, что может вызвать ошибки данных. Для сравнения:беспроводная инфраструктура должна быть защищена от непрямых ударов молнии в незащищенной среде.

Для этих требовательных приложений требуется тщательное изучение временных характеристик приемопередатчика RS-485 по кабелям, чтобы гарантировать надежность системы, а также определение характеристик электромагнитной совместимости. В этой статье представлены некоторые ключевые концепции системной синхронизации и кабеля связи; обеспечивает ключевые показатели производительности, включая тактовую частоту, распределение данных и возможность прокладки кабеля; и демонстрирует преимущества для промышленных приложений с использованием трансиверов RS-485 нового поколения.

Производительность по времени

При рассмотрении вопроса о надежной передаче данных при высоких скоростях передачи данных по кабелям большой длины важными для RS-485 становятся такие концепции временных характеристик, как дрожание и перекос, часто связанные с низковольтной дифференциальной сигнализацией (LVDS). Необходимо проверить джиттер и перекос, добавленные приемопередатчиком RS-485 и системным кабелем.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 1. Электромагнитная совместимость, скорость передачи данных и длина кабеля для RS-485. (Источник:Analog Devices)

Дрожание и перекос

Джиттер можно количественно определить как ошибку временного интервала, в частности разницу между ожидаемым временем прихода перехода сигнала и моментом его появления на практике. В канале связи существуют различные факторы дрожания. Каждый участник может быть в общих чертах охарактеризован как случайный или детерминированный по своей природе. Случайный джиттер можно определить по его гауссовскому распределению, и он возникает из-за теплового шума и широкополосного дробового шума в полупроводнике. Детерминированный джиттер возникает из источников в системе связи; например, искажение рабочего цикла, перекрестные помехи, периодические внешние источники шума или межсимвольные помехи. В системах связи, использующих стандарт RS-485, скорости передачи данных ниже 100 МГц, где эти детерминированные эффекты джиттера преобладают над случайными эффектами.

Размах джиттера - полезная мера общего джиттера системы, возникающего из детерминированных источников. Размах джиттера можно исследовать во временной области, наложив большое количество переходов сигнала на один и тот же дисплей (обычно называемый глазковой диаграммой). Это может быть достигнуто на экране осциллографа с использованием бесконечного послесвечения или с помощью встроенного программного обеспечения осциллографа для разложения джиттера, как показано на рисунке 2. ²

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 2. Ошибка временного интервала, джиттер и глаз. (Источник:Analog Devices)

Ширина наложенных переходов - это джиттер от пика к пику, с открытой областью между ними, называемой глазком. Этот глазок является областью, доступной для выборки принимающим узлом на дальнем конце длинного кабеля RS-485. Большая ширина глаза обеспечивает приемному узлу более широкое окно для выборки и снижает риск неправильного приема бита. На доступный глаз в первую очередь влияет детерминированный джиттер как от драйвера RS-485, так и от приемника, а также от соединительного кабеля.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 3. Основные факторы джиттера в сетях связи RS-485. (Источник:Analog Devices)

На рисунке 3 показаны различные источники джиттера в сети связи. В системах связи на основе RS-485 два ключевых фактора, влияющих на характеристики синхронизации, - это перекос импульсов приемопередатчика и межсимвольные помехи. Искажение импульсов, иначе известное как искажение ширины импульса или искажение рабочего цикла, представляет собой форму детерминированного дрожания, вносимого приемопередатчиками в передающих и приемных узлах. Расфазировка импульса определяется как разница в задержке распространения между передним и задним фронтами сигнала. В дифференциальной связи этот перекос создает точку асимметричного кроссовера и несоответствие между длительностью передаваемых нулей и единиц. В системе распределения тактовых импульсов чрезмерная асимметрия импульсов проявляется как искажение рабочего цикла передаваемых тактовых импульсов. В системе распределения данных эта асимметрия увеличивает межпиковое дрожание, наблюдаемое на глазковой диаграмме. В обоих случаях чрезмерный перекос импульсов отрицательно влияет на сигналы, передаваемые по RS-485, и уменьшает как доступное окно выборки, так и общую производительность системы.

Межсимвольная интерференция (ISI) возникает, когда на время прихода фронта сигнала влияет шаблон данных, прошедший через этот край. Эффекты межсимвольных помех становятся заметными в приложениях с более длинными кабелями, что делает ISI ключевым фактором в сетях RS-485. Более длинное межсоединение создает постоянную времени RC, когда емкость кабеля не полностью заряжена к концу одного битового периода. В приложениях, где передаваемые данные состоят только из часов, эта форма межсимвольных помех отсутствует. Межсимвольные помехи также могут быть вызваны несоответствием импеданса кабельной линии передачи, отрезками линии или неправильным использованием оконечных резисторов. Приемопередатчики RS-485 с высокой выходной мощностью обычно помогают минимизировать эффекты ISI, поскольку им требуется меньше времени для зарядки нагрузочной емкости кабеля RS-485.

Процент допустимого размаха джиттера сильно зависит от приложения, и обычно 10% джиттера используется для тестирования комбинации приемопередатчика RS-485 и характеристик кабеля. Сочетание чрезмерного дрожания и перекоса влияет на возможность выборки приемопередатчика RS-485, увеличивая вероятность ошибок связи. В правильно согласованных сетях передачи выбор приемопередатчика, оптимизированного для минимизации перекоса импульсов приемопередатчика и межсимвольных помех, приводит к более надежному и безошибочному каналу связи.

Конструкция приемопередатчика RS-485 и характеристики кабеля

Стандарт TIA-485-A / EIA-485-A RS-485 ³ предоставляет технические характеристики для конструкции и рабочего диапазона передатчиков и приемников RS-485, включая дифференциальное выходное напряжение (VOD), характеристики короткого замыкания, синфазную нагрузку, а также пороговые значения и диапазоны входного напряжения. Характеристики синхронизации RS-485, включая асимметрию и джиттер, не указаны в стандарте TIA-485-A / EIA-485-A и оптимизированы поставщиками интегральных схем с учетом технических характеристик продукта.

Другие стандарты, такие как TIA-568-B.2 / EIA-568-B.2, телекоммуникационный стандарт для кабелей с витой парой ⁴ обеспечивают основу для влияния переменного и постоянного тока кабеля на качество сигнала RS-485. В этом стандарте приводятся рекомендации и процедуры тестирования для измерения джиттера, перекоса и других измерений синхронизации с установленными пределами производительности; например, максимально допустимый перекос кабеля категории 5e составляет 45 нс на 100 м. Прочтите статью «Повышенная производительность RS-485» для получения дополнительной информации о стандарте TIA-568-B.2 / EIA-568-B.2 и последствиях использования неидеальных кабелей для производительности системы.

В то время как доступные стандарты и спецификации продуктов являются хорошим источником полезной информации, для любого значимого определения характеристик синхронизации системы требуется измерение приемопередатчика RS-485 на длинном кабеле.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 4. Типичная характеристика джиттера тактовой частоты ADM3065E. (Источник:Analog Devices)

Обмен данными по RS-485 быстрее и эффективнее

Приемопередатчики RS-475 нового поколения обеспечивают повышенную производительность для удовлетворения потребностей приложений, использующих такие стандарты, как TIA-485-A / EIA-485-A, которые не определяют перекос и джиттер. Например, приемопередатчики RS0485, такие как ADM3065E от Analog Devices, обеспечивают сверхнизкую характеристику перекоса передатчика и приемника. Это позволяет системам поддерживать передачу точных часов, которые часто используются в стандартах кодирования двигателей, таких как EnDat 2.2. ⁵ Как показано на рисунках 4 и 5, системы продемонстрировали детерминированный джиттер менее 5% на типичных длинах кабелей, встречающихся в приложениях управления двигателями. Широкий диапазон питания трансивера означает, что этот уровень временных характеристик доступен для приложений, требующих источника питания трансивера 3,3 В или 5 В.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 5. Глазковая диаграмма приемника ADM3065E:тактовая частота 25 МГц распределена по 100-метровому кабелю. (Источник:Analog Devices)

Помимо превосходного распределения тактовых импульсов, улучшенные временные характеристики также обеспечивают надежное распределение данных с высокоскоростным выходом и минимальным добавленным джиттером. На рисунке 6 показано, что при использовании усовершенствованного приемопередатчика ограничения по времени, обычно указываемые для передачи данных RS-485, могут быть значительно ослаблены. Стандартные трансиверы RS-485 обычно рассчитаны на работу с джиттером 10% или меньше. ADM3065E может работать со скоростью более 20 Мбит / с на длине кабеля до 100 м и при этом поддерживать только 10% джиттера на принимающем узле. Этот низкий уровень джиттера снижает риск неправильной выборки принимающим узлом данных и приводит к надежности передачи, которая ранее была невозможна при использовании обычных приемопередатчиков RS-485. В приложениях, где принимающий узел может выдерживать уровни джиттера до 20%, достижимы скорости передачи данных до 35 Мбит / с на 100-метровых участках кабеля.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 6. ADM3065E получает превосходный уровень джиттера на узле приема данных. (Источник:Analog Devices)

Для каждого пакета, переданного с использованием протокола кодировщика EnDat 2.2, данные передаются синхронно с заданными фронтами тактовой частоты. На рисунке 7 показано, что стартовый бит (биты) начинает передачу данных от кодировщика обратно к главному контроллеру после начального вычисления абсолютного положения (TCAL). Последующие биты ошибок (F1, F2) указывают, когда неисправность энкодера может привести к неправильным значениям положения. Затем энкодер передает значение абсолютного положения, начиная с LS, с последующими данными. Целостность тактового сигнала и сигнала данных имеет решающее значение для успешной передачи сигналов положения и ошибок на длинных участках кабеля, при этом EnDat 2.2 определяет максимальное дрожание в 10%. EnDat 2.2 определяет максимальную работу при тактовой частоте 16 МГц на 20 м кабеля. На Рисунке 4 показано, что эти требования могут быть выполнены при джиттере только 5%, а на Рисунке 6 показано, что требования к джиттеру для передачи данных выполняются, в то время как стандартные приемопередатчики RS-485 - нет. Это важно, потому что превосходные временные характеристики по сравнению с кабелями гарантируют, что разработчики системы будут располагать необходимой информацией, позволяющей успешно спроектировать проект в соответствии со спецификацией EnDat 2.2.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 7. Физический уровень и протокол EnDat 2.2 с синхронизацией часов / данных (адаптированные диаграммы из EnDat 2.2). (Источник:Analog Devices)

Повышенная надежность по сравнению с более длинными кабелями

Стандарт TIA-485-A / EIA-485-A RS-485 ³ требует совместимых драйверов RS-485 для генерации дифференциальной амплитуды напряжения, VOD, не менее 1,5 В в полностью загруженной сети. Этот 1,5 VOD обеспечивает ослабление постоянного напряжения 1,3 В на длинных кабелях, при этом приемники RS-485 рассчитаны на работу с входным дифференциальным напряжением не менее 200 мВ. С трансивером, который предназначен для вывода VOD не менее 2,1 В при питании от 5 В, разработчики могут превзойти требования спецификации RS-485.

Полностью загруженная сеть RS-485 эквивалентна дифференциальной нагрузке 54 Ом, которая имитирует шину с двойной оконечной нагрузкой из двух резисторов 120 Ом, а еще 750 Ом представляют 32 подключенных устройства с 1 единичной нагрузкой или 12 кОм. ADM3065E имеет запатентованную архитектуру вывода для максимального увеличения VOD при соблюдении требуемого диапазона синфазного напряжения, превосходящего требования TIA-485-A / EIA-485-A. На рис. 8 показано, как трансивер превышает требования к приводу стандарта RS-485 на> 210% при питании от шины питания 3,3 В или на> 300% при питании от шины питания 5 В. Это позволяет системам обмениваться данными с большим количеством удаленных узлов и с большим запасом шума, чем обычные приемопередатчики RS-485.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 8. ADM3065E превышает требования к приводам RS-485 в широком диапазоне поставок. (Источник:Analog Devices)

Рисунок 9 дополнительно иллюстрирует этот момент в типичном приложении с длиной кабеля более 1000 м. При обмене данными по стандартному кабелю AWG 24 улучшенный приемопередатчик на 30% лучше, чем стандартный приемопередатчик RS-485 - с 30% большим запасом шума на приемном узле или увеличением максимальной длины кабеля на 30% при низких скоростях передачи данных. Эта производительность хорошо подходит для приложений беспроводной инфраструктуры, где длина кабеля RS-485 превышает несколько сотен метров.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 9. ADM3065E обеспечивает превосходный дифференциальный сигнал для сверхдлинных расстояний. (Источник:Analog Devices)

Защита от электромагнитных помех и помехоустойчивость

Передача сигналов RS-485 является сбалансированной, дифференциальной и по своей природе невосприимчивой к помехам. Системный шум одинаково передается на каждый провод в кабеле витой пары RS-485. Кабели с витой парой заставляют индуцированные шумовые токи течь в противоположных направлениях, а электромагнитные поля, передаваемые на шину RS-485, нейтрализуют друг друга. Это снижает электромагнитную восприимчивость системы. Кроме того, более высокая мощность привода обеспечивает более высокое отношение сигнал / шум (SNR) при обмене данными. Длинные кабели, например сотни метров между уровнем земли и антенной на беспроводных базовых станциях, с улучшенным соотношением сигнал / шум, а также отличной целостностью сигнала, обеспечивают точное и надежное управление наклоном / положением антенн.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 10. Длина кабеля беспроводной инфраструктуры может достигать сотен метров. (Источник:Analog Devices)

Как показано на рисунке 1, защита от электромагнитных помех требуется для приемопередатчиков RS-485, которые взаимодействуют напрямую с внешним миром через соседние разъемы и кабели. Например, электростатический разряд на открытых разъемах RS-485 и кабелях от энкодера к приводу двигателя является распространенной опасностью для системы. Стандарт IEC 61800-3 системного уровня, касающийся требований к невосприимчивости к электромагнитным помехам для систем электропривода с регулируемой скоростью, требует минимальной защиты от электростатического разряда ± 4 кВ / ± 8 кВ по воздуху IEC 61000-4-2. Усовершенствованные приемопередатчики, такие как ADM3065E, превосходят это требование с помощью защиты от электростатического разряда ± 12 кВ при контакте / ± 12 кВ в воздухе согласно IEC 61000-4-2.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 11. Полное решение RS-485 с изолированным сигналом и питанием 25 Мбит / с с ESD, EFT и защитой от перенапряжения. (Источник:Analog Devices)

Для приложений беспроводной инфраструктуры требуется усиленная защита от электромагнитных помех для защиты от разрушительных грозовых перенапряжений. Добавление SM712 TVS и двух координирующих резисторов 10 Ом ко входам приемопередатчика обеспечивает улучшенную защиту от электромагнитных помех - с защитой от электростатических разрядов до ± 30 кВ 61000-4-2 и защитой от перенапряжения ± 1 кВ IEC 61000-4-5.

Чтобы повысить помехозащищенность для приложений управления электрически жесткими двигателями, автоматизации процессов и беспроводной инфраструктуры, можно добавить гальваническую развязку. Гальваническая развязка с усиленной изоляцией и выдерживаемым переходным напряжением 5 кВ (среднеквадратичное значение) может быть добавлена ​​к ADM3065E с помощью i компании Analog Devices. Муфта ^® и iso Мощность ^® технологии. ADuM231D обеспечивает необходимые три канала изоляции сигнала 5 кВ (среднеквадратичное значение) с точными временными характеристиками, обеспечивающими надежную работу на скоростях до 25 Мбит / с. Изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный ADuM6028 обеспечивает необходимую изолированную мощность с выдерживаемым значением 5 кВ (действующее значение). Две ферритовые пластины используются для соответствия стандартам электромагнитной совместимости, таким как EN 55022, класс B / CISPR 22, в результате чего получается компактное изолированное решение для преобразования постоянного тока в постоянный с форм-фактором 6 мм × 7,5 мм.

Приемопередатчики RS-485 нового поколения превосходят отраслевые стандарты, обеспечивая возможность обмена данными дальше и быстрее по сравнению со стандартными устройствами RS-485. При уровне дрожания 10%, указанном в EnDat 2.2 ⁵ , системы могут работать с тактовой частотой 16 МГц при длине кабеля не более 20 м, при этом стандарт RS-485 изо всех сил пытается удовлетворить это требование. Превышает требования к управлению шиной RS-485 до 300%, обеспечивает лучшую надежность и больший запас помехоустойчивости по сравнению с более длинными кабелями. Помехозащищенность можно улучшить, добавив i Изоляция ответвителя, включая изолятор сигналов ADuM231D, и решение ADuM6028 с наименьшим форм-фактором в отрасли для изолированного питания.

Ссылки

¹ «Число узлов PROFINET и PROFIBUS превысило 87 миллионов в 2018 году». Profibus Group, май 2019 г.

² Конал Уоттерсон. «Руководство по реализации схем LVDS и M-LVDS». Analog Devices, Inc., март 2013 г.

³ «TIA / EIA-485-A, Электрические характеристики генераторов и приемников для использования в сбалансированных цифровых многоточечных системах». IHS Markit Inc., март 1998 г.

⁴ «TIA / EIA-568-B.2, Стандарт телекоммуникационных кабелей для коммерческих зданий - Часть 2:Компоненты кабельных систем с сбалансированной витой парой». Ассоциация телекоммуникационной индустрии, май 2001 г.

⁵ «EnDat 2.2 - двунаправленный интерфейс для датчиков положения». Хайденхайн, сентябрь 2017 г.