有關(guān)在雙絞線上實現(xiàn)12M速率Profibus總線傳輸、中繼與接口的初步研究
隨著現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展,RS485總線已是用于工業(yè)系統(tǒng)中通信的最主要也是最普及的通信方式之一。Profibus現(xiàn)場總線的最高速率可12M，但通信距離很小。為擴(kuò)大通信距離，需要實現(xiàn)傳輸?shù)闹欣^。研究在一對雙絞線上傳輸可達(dá)12M速率的RS485信號，便是為實現(xiàn)12M速率的Profibus總線的傳輸中繼與傳輸轉(zhuǎn)換。
實現(xiàn)原理
Profibus總線采用一對RS485差分?jǐn)?shù)字信號在一對雙絞線上傳輸雙向數(shù)據(jù)，兩個方向數(shù)據(jù)在雙絞線上是分時傳輸?shù)?，信號的傳輸方向在某一時間只能向一個方向傳輸，在另一時間可以向另外一個方向傳輸。
為Profibus總線的中繼原理是：中繼器（或其他傳輸設(shè)備）同時監(jiān)視兩側(cè)的RS485總線，當(dāng)有一方（這里簡稱A側(cè)，另一側(cè)則簡稱B側(cè)，以下同）總線有數(shù)據(jù)時，立即接收數(shù)據(jù)，如果B側(cè)的總線沒有使用，就將剛從A方接收的數(shù)據(jù)傳到B側(cè)端，并驅(qū)動B側(cè)的雙絞線；在這一過程中，如果A鍘的數(shù)據(jù)已停，總線上已沒有數(shù)據(jù)，又回到初始的雙向監(jiān)視狀態(tài)。在信號從B向傳向A向的數(shù)據(jù)也是同樣的過程。
為此實現(xiàn)Profibus總線的中繼與傳輸，需要識別信號的傳輸方向、完成雙向數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)、接收雙絞線上差分電信號與驅(qū)動雙絞線以及完成傳輸?shù)男盘栟D(zhuǎn)換等。
雙向控制
實現(xiàn)RS485信號傳輸?shù)碾p向識別的方法很多，對于低速的RS485信號傳輸，可以采用兩個異步串行接口單元，一個單元接收，另一個單元轉(zhuǎn)發(fā)。但當(dāng)速率提高到12M時，完成這樣的功能的可實現(xiàn)單元就很少了，且價格都很昂貴。為此，我們應(yīng)研究一種更為低成本的雙向數(shù)據(jù)流控制的實現(xiàn)方案。
結(jié)合現(xiàn)代同步傳輸理論，傳輸?shù)谋举|(zhì)信號的轉(zhuǎn)移，對一向RS485這樣的二值電平信號的傳輸就是信號電平及邊沿的轉(zhuǎn)移，為此，我們可以研究信號電平及邊沿的轉(zhuǎn)移特性，經(jīng)期采用這樣的特性實現(xiàn)RS485信號的傳輸。
在同步信號傳輸中，為滿足信號的傳輸質(zhì)量，要求信號的傳輸邊沿抖動特性符合一定的要求，通常要求瞬時抖動時間小于其數(shù)字單比特周期的1/16（比如電信網(wǎng)中的基群信號的傳輸瞬時抖動要求）。在異步數(shù)據(jù)通信中（比如CPU的串行接口或多種串品收發(fā)電路），通常采用16倍的信號時鐘讀取異步數(shù)據(jù)，如果采用16次采樣的中間三次取得數(shù)據(jù)的值，則在接收信號時，一個有效的數(shù)據(jù)比特時間應(yīng)最少是總周期的10/16，也就是說，允許接收端有單比特的6/16的時間抖動（這一結(jié)論的前提是16次采樣并取三次有效），假定信號在傳輸過程中可能引起的超前與滯后為等概率，則采樣周期應(yīng)小于傳輸數(shù)據(jù)周期的1/5，所以，要完成點對點的RS485雙向數(shù)據(jù)通信，若采用數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)移的方式，最少需要采樣率為最高速率的5倍（這一結(jié)果仍是基于16倍采樣，中間三次取值的前提得出的）。為了能適應(yīng)大多數(shù)據(jù)的接收器允許的誤差，滿足傳輸誤碼率的要求，通常要求傳信號的速率要高于12倍的最高信號比特率。
基于上述，要取得有效的12M數(shù)據(jù)，需要144M以上的采樣速率完成信號識別。
同時，在完成信號識別到處理信號的收發(fā)控制應(yīng)在約6ns的時間。
為完成信號的驅(qū)動，需要知道何時數(shù)據(jù)結(jié)束，對于傳輸12M的Profibus總線數(shù)據(jù)，如何識別傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)速是一個難題。為此，應(yīng)建立專用的總線空閑標(biāo)識，以決定何時可以同時監(jiān)測兩側(cè)的數(shù)據(jù)。
總線接收與驅(qū)動
在實現(xiàn)Profibus總線雙向中繼傳輸時，信號的接收與驅(qū)動需要有特殊的要求，對于12M的信號，其周期約為80ns，為達(dá)到更高的精度要求，防止信號的崎變對傳輸影響，信號的上升沿與下降沿都要有時間上的要求，比如，要達(dá)到5-8個ns，否則對信號傳輸?shù)恼`碼率將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。這是一般的驅(qū)動器所做不到的。在接收端，對總線的快速響應(yīng)時間是個重要指標(biāo)，同樣要求接收信號引起的崎變要盡可能的小，并能達(dá)到傳輸對時間的要求。
信號的傳播與終端匹配
RS485信號在雙絞線中的傳輸特性符合傳輸線理論。傳輸線相當(dāng)于一個雙端口網(wǎng)絡(luò)，可等效成電容、電感與電阻的混合網(wǎng)絡(luò)，其輸入與輸出阻抗特性因型號的不同而不同；選用Profibus總線專用雙絞線，等效阻抗為120歐。等效阻抗不是一個絕對值，是相對于傳輸信號的頻率而變化的，當(dāng)信號的頻率很高時，期電容特性表現(xiàn)明顯，所以，對于傳輸12M的數(shù)據(jù)信號，表現(xiàn)為低阻容性負(fù)載，吸收信號的能量快，使傳輸距離變短。另外，在通信中傳輸?shù)男盘柺且赃呇赜嫊r的，邊沿等效為多外高次諧波的疊加，而在傳輸中，傳輸線對高頻的信號吸收過快，從而引起信號的崎變加大，當(dāng)崎變到一定程度時，在接收端不能正確的接收數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步使傳輸距離變短。
信號從發(fā)送端進(jìn)入雙絞線后，傳到另一端，如果終端阻抗不匹配，則回引起回波反射，阻抗的不匹配程度可以引起反射波的幅度與相位都不相同，當(dāng)一端為低阻網(wǎng)絡(luò)時，會吸收掉網(wǎng)絡(luò)上的大部分網(wǎng)絡(luò)，但也會造成傳輸能量的大量損耗，使傳輸距離大大受影響。正如上面所說，當(dāng)數(shù)字信號在傳輸線上傳輸時，其高頻成份在還不能到達(dá)傳輸線的另一端時已被完全吸收，而低次頻率份量則還會傳到
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