介绍

由于RS-485收发器提供了一种简单的方法来实现工业网络中的物理层，因此一些现场总线标准指定了用于通信的RS-485串行端口。本文介绍了几种现场总线技术。特别注意INTERBUS和PROFIBUS网络。强调了RS-485收发器的一些特别有用的功能。

现场总线基本知识

广泛的数据系统用于工业工厂测量、收集、传输和显示信息。当温度和压力被测量、显示并输入到过程控制系统时，阀门必须被控制。为了将控制器单元与传感器和执行器连接起来，许多工艺和制造设施仍然包括基于4-20mA回路或0-10V电路的现场多路复用器或多线连接。由于这些旧系统所需的布线是巨大的，现代工厂通常通过采用串行、实时、数据链工业网络(即现场总线系统)来进行过程和制造控制，从而节省布线工作。

与广泛使用的以太网办公室网络类似，现场总线系统使用单一总线将一个网络上的所有设备连接到中央控制器。这种安排不仅需要更少的电线，而且还增加了系统的模块化。所有设备都用软件寻址，因此任何设备都可以连接到网络上的任何套接字。主设备检测哪个设备连接到网络，并发起启动通信所需的操作。

与以太网相比，现场总线提供了其他优势，这可能解释了为什么以太网尚未在将可编程逻辑控制器(plc)和工业pc连接到现场传感器和执行器方面走到最后一英里。现场总线的一个重要优点是确定性:实时接收信号，接收方立即提供确认信号。对于必须实时分布的报警信号，显然需要确定性。

现场总线网络也很健壮。工业网络通常必须保证气密连接器，并在-45°C至+85°C的工业温度范围内工作。现场总线网络可以适应该温度范围，但大多数以太网控制器ic仅指定为0°C至+70°C的工作。诚然，可以创建一个工业以太网系统，其中包括用于确定性的附加协议软件、健壮的连接器和工业温度范围控制器ic，但这样的网络更昂贵。它们还会产生额外的成本，以补偿高协议开销，这需要比常规现场总线更高的数据速率。

RS-485/RS-422现场总线实现

许多现场总线标准指定RS-485或RS-422收发器用于实现工业网络中的物理层。RS-485收发器价格低廉，并提供各种有用的功能，包括多个速度范围。以下主要现场总线标准要么通过RS-485传输，要么包括RS-485版本。

附加资源计算机网络(ARCNET)提供高达10Mbps的数据速率。ARCNET于1977年由SMC/Datapoint(美国)公司创立，最初是一个办公网络，现在也服务于工业工厂。这是一个非常灵活的系统。

Bitbus最高375kbps。由Intel (USA)于1984年启动，位总线主要用于制造应用中的plc和主控制器之间的通信。

欧洲安装总线(EIB)最高9600bps。始于1989年(德国)，EIB系统用于建筑自动化。

通量信息处理总线(WorldFIP)最高2.5Mbps(类型为1Mbps)。WorldFIP系统始于1984年(法国)，主要用于法国和意大利的工业过程自动化。

本地运营网络(LON)高达1.25Mbps。由Echelon公司(美国)于1990年开始，LON系统主要用于楼宇自动化。

带有分散外设的过程现场总线(PROFIBUS DP)高达12Mbps。PROFIBUS DP由德国PNO公司于1993年创立，主要应用于制造业自动化领域。

旁路母线高达2Mbps (500kbps，类型)。INTERBUS由德国菲尼克斯公司于1987年创立，主要应用于制造业自动化领域。

其他标准(如CAN)有不同的物理接口，但我们将只考虑RS-485 PROFIBUS DP和INTERBUS。这些系统在工业RS-485网络中占有最大的市场份额和最高的增长率。有关现场总线标准的更多信息，请参阅www.fieldbusworld.com。

INTERBUS网络的基础知识

INTERBUS网络以环形结构组织，具有较低的协议开销和标准的500Mbps数据速率，允许快速数据传输。最大数据速率在2001年提高到2Mbps，这将成为未来高速系统的标准数据速率。

INTERBUS的主干是远程总线，由控制数据通信的总线主机领导。每个远程总线设备(即从设备)通过全双工、RS-422点对点连接连接到后续设备，如图1所示。任意两个从机之间最大总线长度为400米;公交车总长度限制在13公里以内。每个从站用两个全双工RS-422收发器连接到总线，从站的两侧各有一个。这些连接提供了一个中继器功能，确保了整个网络的良好传输质量。

一个主站连接的从站不能超过512个，每个从站都有自己的电源。从站还可以作为总线耦合器(即总线接口模块)，为多达8个设备的本地总线服务。本地总线的总长度限制在10m以内，两个设备之间的长度限制在1.5m以内。本地总线通信通过对2线电缆实现，使用全双工cmos级信号而不是标准rs -422级信号。

INTERBUS标准要求网络中的组件必须经过认可的测试实验室的认证。任何PCB设计师都可以在当地的INTERBUS俱乐部申请这样的证书，INTERBUS俱乐部代表了一个国际公司协会，他们的共同目标是推动INTERBUS的应用。

RS-422收发器功能

INTERBUS远程总线中的全双工RS-485收发器(通常称为RS-422收发器)必须支持至少500kbps的数据速率(图2)。未来的一代将需要超过2Mbps。目前的应用通常包括75179兼容的驱动器，尽管它们的静态电源电流很高。即使是(所谓的)低功率75LBC179，每个器件的典型静态电流也只有4.2mA。10Mbps MAX3087E是一款低功耗替代产品，其空载供电电流仅为475 μ a，相应的，满载供电电流更低。

电源电流对于最小化功耗非常重要。现场总线设备的外壳可能非常小，因此很难提供有效的散热器。此外，许多应用需要电隔离总线，因此必须通过隔离屏障将功率分配给RS-485收发器。

MAX3087E还提供±15kV的ESD保护。技术人员仅通过触摸就可以损坏有价值的未受保护的电子设备，并且在现场总线电缆安装期间，单次接触就可能产生静电放电。Maxim集成电路中包含的ESD结构可以保护多个接口电路的发送端输出和接收端输入免受静电放电的影响。在制造过程中，根据人体模型(IEC标准1000-4-2)，对ic的正负极进行200V增量测试。因此，不像竞争对手的部件可以承受15kV的冲击，但在6kV就会失败，Maxim部件也可以保证对较小的ESD冲击进行保护。

PROFIBUS - DP网络基础知识

PROFIBUS DP在线路配置中进行组织，允许您在总线运行时添加和移除外设(图3)。大多数应用程序的最大数据速率为12Mbps，但常见的是1.5Mbps，并且定义的速率可低至9600bps。12Mbps时铜缆的最大总线长度为100m;在较低的数据速率下，中继器的使用可以将总总线长度延长到9.6公里。

PROFIBUS DP使用半双工RS-485收发器连接到总线，该收发器通过单个屏蔽双绞线电缆传输数据。PROFIBUS还允许使用塑料纤维进行光学连接。其他网络“家族”成员包括PROFIBUS FMS(用于过程管理级别的较旧版本，已被以太网所取代)和PROFIBUS PA(用于过程控制应用程序的本质安全版本)。

PROFIBUS DP允许每个总线段最多32个节点，包括主、从和任何中继器。总共可以加5个总线段，每个总线段由中继器隔离。总线的大小可以通过这种方式扩展到总共126个节点。为了保证数据的安全传输，PROFIBUS DP在实际消息中加入了各种诊断功能，因此协议开销较高。

通信由一个或多个1类主机控制。该系统还包括2类主机，它们构成人机界面，用于对总线上的设备进行编程和操作系统。从站可以是传感器、执行器(如电磁阀)或分散的数字或输入或输出。PROFIBUS标准要求连接到PROFIBUS的所有终端设备都要经过认可的测试实验室的认证。(参见www.profibus.com。)

RS-485/RS-422收发器功能

PROFIBUS DP网络中的半双工RS-485收发器必须能够处理数据速率≥12Mbps。为了保证在最坏负载条件下有效的接收器输入电压，差分驱动器输出必须能够在满载时提供≥2.1V (27欧姆)。此外，为了最小化信号失真，驱动器和接收器输出应显示≤2ns的数据偏差。²大多数PROFIBUS应用需要经过特殊排序的75ALS176收发器才能达到该性能水平。新一代20Mbps半双工RS-485收发器MAX3463 / MAX3464满足PROFIBUS DP要求，并具有其他几个优点:

• 数据速率达到20Mbps

• 大大降低电源电流(≤4mA，而75ALS176为= 30mA)。由于PROFIBUS DP接口在大多数情况下是电隔离的，因此收发器的低供电电流节省了成本和电路板空间。

• 所有输入和输出引脚都有ESD保护，保护ic免受±2kV的ESD冲击。

• 真正的故障安全能力

RS-485接收器在-200mV和+200mV之间的输入电平没有定义输出。在RS-485端为0V的情况下，接收器TTL端可能出现逻辑高电平和逻辑低电平。在半双工连接中，如果没有主站传输，或者线路连接松散，就会出现这种模糊性。在总线的每一端放置一个终端网络(图4)，确保为非故障安全的PROFIBUS RS-485收发器定义输出电平。

Maxim的真正故障安全功能在MAX3463/MAX3464器件中实现。该技术通过替换精确的接收器阈值范围(-50mV至-200mV)来避免外部偏置电阻，该范围完全符合RS-485规范，同时保证0V输入在接收器处产生逻辑高电平。剩余的终端电阻(大约200欧姆)连接在差分线之间。通过消除330欧姆上拉电阻和下拉电阻，这种连接节省了额外的功率。

标准RS-485驱动器驱动多达32个单元负载的能力为PROFIBUS DP总线段设置了32个节点的最大值。一个单位负载定义为12k欧姆，它对应于标准RS-485接收器的输入阻抗。然而，MAX3463/MAX3464接收器的更高输入阻抗(48k欧姆，这是1/4单位负载)允许在总线上128个收发器。RS-485收发器的任何组合都可以连接到一个总线段，只要这些电路的净并联阻抗保持在375欧姆(32个单位负载)以上。

可以想象，PROFIBUS DP的大小可以增加到每段128个节点，在5个段中总共有640个节点。MAX3463还包括另一个有用的功能。当总线节点上电或插入“热”背板时，处理器或控制ASIC执行其上电序列的时间间隔很短。处理器的输出驱动器在此期间处于高阻抗状态，因此无法将RS-485收发器的控制线(激活低RE, DE, DI)驱动到定义的逻辑电平。

来自这些高阻抗驱动器的漏电流(高达10µA)可能导致RS-485电路的控制线漂移高或低。此外，电路板上的寄生电容可以将控制线耦合到GND或V(CC)。这些因素导致控制线漂移到可以启用电路的变送器(A和B)的电平。为了避免这种情况，MAX3463包括热插拔输入，当V(CC)从0V上升时禁用MAX3463控制线。热插拔输入克服了漏电流和寄生电容，否则可能会将控制线拉到使能状态。全双工版本(MAX3460 / MAX3461 / MAX3462)可用于高速RS-422应用。

MAX14770E结合了PROFIBUS网络所需的所有特性和功能。该设备符合EIA 61158-2 B型PROFIBUS-DP规范。MAX14770E具有真正的故障安全接收器，可热插拔，并具有高±35kV ESD保护(人体模型)。

由于现场总线系统可以包括大量的RS-485或RS-422驱动器，因此传输到驱动器的功率可能占系统成本的很大一部分。在跨越隔离屏障供电时尤其如此。由于传统的RS-485/RS-422驱动器需要相当大的电源电流(高达30mA的静态电流，加上负载电流)，因此可以通过在系统中包含现代CMOS驱动器来降低成本。新的CMOS驱动器提供了额外的优势(ESD保护、故障安全能力和缩短的单位寿命)，提高了系统可靠性和性能/成本比。

¹MAX485变压器驱动器简化了电流隔离。
²斜度定义为每个信道输出端的低到高和高到低传播延迟之差的绝对值。