PROFIBUSDP總線應(yīng)用手冊(cè)rs485

1、目 次1前言32RS-485簡(jiǎn)介32. 1 RS-485的規(guī)范32.2 RS485應(yīng)用中常見的問題42.2.1 最多可帶收發(fā)器（即節(jié)點(diǎn)數(shù)）的數(shù)目4關(guān)于終端匹配5引出線（分支）的長度6關(guān)于偏置電阻63PROFIBUS-DP總線應(yīng)用說明93.1標(biāo)準(zhǔn)最大配置93.2支持的傳輸速率93.3傳輸介質(zhì)93.4傳輸線最大距離103.5長距離時(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)的計(jì)算10FM1模塊的數(shù)據(jù)量10MACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換周期的概念11數(shù)據(jù)交換周期的工程應(yīng)用113.6重復(fù)器與終端匹配器的應(yīng)用123.7通過重復(fù)器改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)12Profibus-DP 總線1 前言目前用于過程控制的多種通訊協(xié)議中Profibus-DP、Arcne

2、t、和CAN的物理層均是RS-485規(guī)范。本手冊(cè)圍繞RS-485的理論和應(yīng)用要點(diǎn)，對(duì)Profibus-DP的物理層進(jìn)行工程應(yīng)用上的說明。讀者如果熟悉第2節(jié)內(nèi)容，可以跳過不閱。2 RS-485簡(jiǎn)介2. 1 RS-485的規(guī)范RS-485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線，是EIA制定的一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的串口總線標(biāo)準(zhǔn)。其具體規(guī)范如表1。參 數(shù)條 件最小值最大值單 位驅(qū)動(dòng)器開路輸出電壓1.5-1.56-6V V驅(qū)動(dòng)器帶載輸出電壓RL=1001.5-1.55-5VV驅(qū)動(dòng)器輸出短路電流Per output to Common±250mA驅(qū)動(dòng)器輸出上升時(shí)間R

3、L=54 CL=50 pF30% of bit width 驅(qū)動(dòng)器共模電壓RL=54 ±3V接收器靈敏度-7VVCM12V±200mV接收器共模電壓范圍-7 12V接收器輸入電阻12k表1 RS-485電氣規(guī)范2.2 RS485應(yīng)用中常見的問題2.2.1 最多可帶收發(fā)器（即節(jié)點(diǎn)數(shù)）的數(shù)目RS485允許連接的收發(fā)器數(shù)標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定，但規(guī)定了最大總線負(fù)載為32個(gè)單位負(fù)載（UL），每單位負(fù)載的最大輸入電流為1.0mA/-0.8mA，相當(dāng)于約12K歐。實(shí)際信號(hào)在電纜的傳輸過程中受傳輸衰減、信號(hào)反射、帶載能力的影響。因此直接所帶的節(jié)點(diǎn)數(shù)目有限。為了擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)目，一般有兩種做法，其一是

4、采用重復(fù)器，通過重復(fù)器的信號(hào)整形、放大、轉(zhuǎn)發(fā)，將節(jié)點(diǎn)數(shù)目擴(kuò)大。另一個(gè)是增加收發(fā)器的輸入電阻，例如輸入電阻為48K歐以上（1/4UL），節(jié)點(diǎn)數(shù)就可以增加到128個(gè)。在MACS的Profibus-DP應(yīng)用中，采用上述第一種辦法增加節(jié)點(diǎn)數(shù)目。Profibus-DP系統(tǒng)最多可連接126個(gè)站（站號(hào)從0125），總線系統(tǒng)可以分為4個(gè)段，段與段之間用重復(fù)器連接。但在實(shí)際應(yīng)用中，建議總線段數(shù)最好不超過3段。在DP規(guī)范中每個(gè)段最多可連接32個(gè)站，重復(fù)器的每一端也作為一個(gè)站包含在內(nèi)。但是在MACS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于模塊間采用底座內(nèi)的PCB布板線作為通訊連接線，因此破壞了阻抗連續(xù)的原則，此外還涉及到通訊總線到模塊的引

5、線，因此所帶模塊數(shù)目也與所配的模塊的類型有關(guān)。綜合上述考慮后的實(shí)驗(yàn)表明，工程配置為：每個(gè)段內(nèi)最多24個(gè)站。2.2.2 關(guān)于終端匹配1、終端匹配的來由當(dāng)信號(hào)在一根長電纜上傳輸或是有很高的數(shù)據(jù)速率時(shí)，電纜將呈現(xiàn)傳輸線的特性，即信號(hào)在線路上以一定的速度傳播開來，從而形成行波。當(dāng)遇到不連續(xù)的阻抗時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射波，反射波與原來信號(hào)疊加，從而造成原來信號(hào)的失真。一般來講，經(jīng)過幾個(gè)回合的反射振蕩后，會(huì)恢復(fù)原來信號(hào)的電平，加終端匹配就是要消除或減少線路中這種反射振蕩。因此RS485要求必須按其特征阻抗進(jìn)行終端匹配。所謂終端匹配就是在信號(hào)傳輸線的兩頭各串入一個(gè)與電纜特征阻抗相等的電阻。電纜的特征阻抗Z=（L/

6、C）1/2，其中L為單位長度的電纜分布電感，C為單位長度電纜的線間分布電容。RS485的典型終端匹配是120歐（24 AWG PVC電纜），一般不得低于90歐；除非有重復(fù)器，總線上終端匹配電阻數(shù)目為2。在Profibus-DP規(guī)范中，其終端匹配電阻為220歐。可見它的線纜特征阻抗比較特殊。2、是否需要終端匹配的判斷是否要終端匹配取決于線纜的長度和傳輸速率及信號(hào)轉(zhuǎn)換速率，如果傳輸延遲低于1bit信號(hào)寬度的3倍時(shí)，終端匹配就不需要。例如，一條4000英尺的電纜，電信號(hào)傳播速度為198000m/s，則傳輸延遲為 6.2 ms。如果線路的波特率設(shè)為9600bps，則1bit的信號(hào)時(shí)間寬度為104ms，

7、6.2*3=18.6ms<<104ms，因此不需終端匹配。另外，當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升或下降時(shí)間）超過電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)也可以不加匹配。例如，典型雙絞線的信號(hào)傳輸速率在0.2m/ns (24AWG PVC電纜)，對(duì)于MAX843，上升或下降時(shí)間為250ns。則只要線纜長度L<16m就可以不加終端匹配。對(duì)MACS所用的DP而言，出于其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)和工程安全考慮，必須要求加終端匹配。2.2.3 引出線（分支）的長度對(duì)于RS485來講，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。但每個(gè)收發(fā)器總要通過引出線掛在總線上，因此引出線是不可避免

8、的。當(dāng)引出線如果過長時(shí)，會(huì)由于信號(hào)在引出線中的反射，會(huì)影響總線上信號(hào)的質(zhì)量。系統(tǒng)所能允許的引出線長度也和信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸速率有關(guān)。下面經(jīng)驗(yàn)公式可以幫助估算引出線最大長度：Lmax=（Trise*0.2m/ns）/10典型雙絞線的信號(hào)傳輸速率在0.2m/ns (24AWG PVC電纜), MAX843上升或下降時(shí)間為250ns ，則L約5m。對(duì)MACS所用的DP而言，出于工程安全的考慮，在工程應(yīng)用中不得通過引出線構(gòu)造現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，出于測(cè)試、偵聽目的的，可以將測(cè)試、偵聽設(shè)備通過引出線掛在總線上，引出雙絞線長度在6.6m(傳輸速率<1.5Mbps)之內(nèi)。2.2.4 關(guān)于偏置電阻1、偏置電阻

9、來由 在RS-485系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程中，如果接收器同相輸入（B）電平比接收器反相輸入（A）電平高出200mV或更多，RS-485的接收器輸出為“1”， 如果A電平比B電平高出200mV或更多，RS-485的接收器輸出為“0”。在一個(gè)半雙工的RS-485網(wǎng)絡(luò)中，主站的收發(fā)器發(fā)送完一個(gè)信息給從站后，將總線置為三態(tài)，沒有任何信號(hào)驅(qū)動(dòng)總線，使A和B之間的電平差趨于0，此時(shí)收發(fā)器的輸出狀態(tài)不確定。如果收發(fā)器的輸出（RO）是“0”的話，從站將把其解釋為一個(gè)新的啟動(dòng)位并且試圖讀取后續(xù)字節(jié)。這就產(chǎn)生一個(gè)幀錯(cuò)誤結(jié)果。為此，必須設(shè)法讓總線處于定態(tài)。解決方法之一就是加偏差電阻。偏差電阻是使B上拉，A下拉，其阻值取決于

10、終端匹配和系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，目的是在網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生足夠的直流偏差電流來維持B和A之間最小的200mV電壓。在Profibus-DP規(guī)范中，該上拉、下拉電阻值為390歐姆。2、偏置電阻的計(jì)算GND+5VAB下拉電阻上拉電阻RS-485收發(fā)器TO NETWORK圖1 偏置電阻配置圖發(fā)送接收對(duì)于有32節(jié)點(diǎn)，兩端有120歐匹配的RS485網(wǎng)絡(luò)，其偏置電阻的計(jì)算方法和步驟如下：1）計(jì)算節(jié)點(diǎn)總負(fù)載每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載阻抗為12K歐，32個(gè)節(jié)點(diǎn)的并行阻抗為：375歐。2） 計(jì)算總線負(fù)載上述并行阻抗再并入兩端的終端匹配電阻（120歐），兩個(gè)120歐并聯(lián)為60歐，則總線負(fù)載為：52歐。3） 計(jì)算最小偏置電流為了滿足最小置1電

11、壓200mV，所需的最小偏置電流為：200/52=3.9mA4） 計(jì)算偏置電阻總和在5V的電壓下，提供最小偏置電流所需的最大串聯(lián)電阻為：5/3.9=1293歐減去已經(jīng)加在線上的120歐，就是上拉和下拉阻抗的和：1293-120=1173歐5） 計(jì)算上拉和下拉電阻其中：最大上拉電阻=最大下拉電阻=1173/2=587歐6） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整上拉和下拉電阻上述計(jì)算是在靜態(tài)純阻性條件下完成的，是偏置電阻的最大值，并沒有考慮反射、線路衰減、干擾侵入，因此要根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定其最佳偏置。根據(jù)上述計(jì)算，Profibus-DP的偏置最大為：最大上拉電阻=最大下拉電阻=2126/2=1063歐。3 Profibus-D

12、P總線應(yīng)用說明3.1 標(biāo)準(zhǔn)最大配置標(biāo)準(zhǔn)Profibus-DP系統(tǒng)最多可連接126個(gè)站（站號(hào)從0125），總線系統(tǒng)可以分為4個(gè)段，段與段之間用重復(fù)器連接。目前公司DP網(wǎng)的最大配置為：（第一段：2主站+29個(gè)從站+重復(fù)器）+（第二段：30個(gè)從站+重復(fù)器） +（第三段：30個(gè)從站+重復(fù)器3.2 支持的傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)DP支持以下傳輸速率：（單位：kbps）9.6、19.2、31.25、45.45、93.75、187.5、500、1500、（3000、6000、）12000我公司DP支持的傳輸速率（單位：kbps）為：9.6、19.2、31.25、45.45、93.75、5003.3 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)可以

13、選擇型式A和型式B兩種導(dǎo)線，A為屏蔽雙絞線，B為普通雙絞線。但在EN50 170標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為型式A導(dǎo)線，型式A比型式B有較大的擴(kuò)展長度，見表2。表2 ：Line A Line B說明參數(shù)Line ALine B特征阻抗（）135165100130單位長度的電容（PF/m）<30<60回路電阻（/km）110線芯直徑（mm）0.64>0.53線芯截面積（mm2）>0.34>0.223.4 傳輸線最大距離不同的介質(zhì)，不同的波特率，信號(hào)可傳輸?shù)牡木嚯x是不同的，見表3。Baud_Rate(kbps)9.619.293.75187.5500150012000傳輸距離（Lin

14、e A）1200120012001200400200100傳輸距離（Line B）120012001200600200不推薦不推薦表3 傳輸速率與距離關(guān)系表該傳輸距離指不加重復(fù)器的距離。3.5 長距離時(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)的計(jì)算3.5.1 FM1系列模塊的數(shù)據(jù)量FM1的數(shù)據(jù)量表如下：FM1模塊名稱數(shù)據(jù)量FM1模塊名稱數(shù)據(jù)量FM141341bitFM161187bitFM142341bitFM161-SOE231bitFM143341bitFM162341bitFM144187bitFM163330bitFM145341bitFM171242bitFM146528bitFM172220bitFM147341b

15、itFM1813916bitFM151550bitFM1822068bitFM151R462bit表4 FM1系列IO模塊通訊數(shù)據(jù)量表（每控制周期）3.5.2 MACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換周期的概念在MACS系統(tǒng)中，用于數(shù)據(jù)交換的周期有兩個(gè)，一個(gè)是主控器CPU與DP主卡的數(shù)據(jù)交換周期（不妨稱為周期I）；一個(gè)是DP主卡與現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊的數(shù)據(jù)交換周期（不妨稱為周期II）。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中兩個(gè)周期處理的同步性，系統(tǒng)規(guī)定：周期II應(yīng)該不超過周期I的2/3。在MACS系統(tǒng)中，用于主控器CPU與DP主卡的數(shù)據(jù)交換周期（周期I）是設(shè)定的，當(dāng)從站含有SOE功能時(shí)，該數(shù)據(jù)交換的時(shí)間是30ms；否則，用于該數(shù)據(jù)交換的時(shí)間是

16、50ms。在MACS系統(tǒng)中，用于DP主卡與現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊的數(shù)據(jù)交換周期（周期II）的工程計(jì)算可以采用如下公式：周期II(s)=（FM1XX的數(shù)據(jù)量*FM1XX的數(shù)目）(bit)/傳輸速率(bit/s)上式只是給出了一個(gè)便于工程計(jì)算的實(shí)用算法，若要準(zhǔn)確計(jì)算一個(gè)完整的數(shù)據(jù)交換周期時(shí)，還要考慮協(xié)議中的各種傳輸間隔（該值一般在一個(gè)完整的數(shù)據(jù)交換周期內(nèi)所占比例很?。?。3.5.3 數(shù)據(jù)交換周期的工程應(yīng)用雖然由表3：傳輸距離與電纜長度的關(guān)系，可以確定信號(hào)的正常傳輸。但當(dāng)控制有數(shù)據(jù)交換周期要求的場(chǎng)合下，就必須考慮從站數(shù)目太多時(shí)，可能會(huì)使在DP主卡與現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊的數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)量太大，使得上述周期II大于系統(tǒng)

17、規(guī)定。此時(shí)，提高傳輸速率是解決問題的一個(gè)有效辦法。例：當(dāng)某IO站不含SOE時(shí)，假定有若干個(gè)FM1模塊，如果參考上述表4，得出一個(gè)控制周期中，該工程的DP總線中所有從站的數(shù)據(jù)量是10000bit，而總線的傳輸速率是9600bps，此時(shí)一個(gè)完整的數(shù)據(jù)交換周期是10000/9600>>（50*2/3）ms，會(huì)產(chǎn)生失控。若采用提高傳輸速率的辦法，將傳輸速率提高到500kbps，則此時(shí)一個(gè)完整的數(shù)據(jù)交換周期為10000/500000=20ms<（50*2/3）ms，因此通訊傳輸速率設(shè)置合理。3.6 重復(fù)器與終端匹配器的應(yīng)用用于MACS系統(tǒng)中的Profibus-DP，出于其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)和工程安全考慮，必須要求加終端匹配器（FM192-TR）。目前的重復(fù)器或終端匹配器內(nèi)的終端匹配電阻、偏置電阻均是與型式A的導(dǎo)線相配。重復(fù)器內(nèi)的終端匹配電阻的需要與否可以依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰ㄟ^重復(fù)器上的相應(yīng)撥碼選擇，具體參見DP重復(fù)器手冊(cè)。3.7 通過重復(fù)器改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)DP在高傳輸速率應(yīng)用場(chǎng)合（>1.5Mbit/s）下，應(yīng)避免引出分支線。即只能采用總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。DP在低傳輸速率應(yīng)用場(chǎng)合（<=1.5Mbit/s）下，引出分支線要求小于6.6米。但是通過西