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PROFIBUS是一種具備多種電路層(electrical-layer)選項的工業網路標準，如自動化應用最常見的PROFIBUS電路層即為RS-485標準的改良版，它增加多項要求以提高資料傳輸效能。本文將概要介紹PROFIBUS應用的網路技術，並說明適合其匯流排收發器應具備那些特性。
現場匯流排(fieldbus)技術提供製程自動化、工廠自動化或移動控制所需的工業通訊。現場匯流排是一種使用銅線材、光纖或無線等各種媒介的工業通訊系統，可透過位元串列傳輸方式把散佈於應用現場的各類裝置(如感測器、致動器、驅動器和換能器等)連結到中央控制或管理系統。
PROFIBUS既可水平提供應用現場層級的通訊功能，又能同時垂直供應跨越數個階層的通訊能力，因此在過去十年已成為領先全球市場的現場匯流排技術。PROFIBUS還能(透過PROFInet)連接較低階的AS介面和更高階的乙太網路，而這類分層式和協調式工業通訊系統為生產流程應用提供透明化網路連結的最佳選擇(參考圖1)。
在感測器╱致動器級，二位元感測器和致動器訊號乃經由感測器╱致動器匯流排傳送。此種技術既簡單又符合成本效益，還能以同一媒介傳送資料和電源。
在應用現場級，散置的I/O模組、換能器、驅動單元、分析裝置、閥門或作業終端機等裝置可以透過一強大的即時通訊系統與自動化系統進行通訊。
在生產單位級(cell level)，可程式邏輯控制器(PLC)和個人電腦等可程式控制器能以乙太網路、TCP/IP、企業內部網路及網際網路等標準相互通訊，或與世界各地辦公室的電腦系統通訊。
PROFIBUS和其它現場匯流排系統已於1999年列入IEC 61158國際標準，其中的第二部份(IEC 61158-2)定義數種傳輸技術，而RS-485為PROFIBUS最常使用的技術。
產品是否符合PROFIBUS標準須視其應用而定，而且還會受到許多設計零件的影響，如RS-485收發器便是一例。設計人員選擇收發器時，必須同時瞭解實體層以及收發器在該實體層的功能。
選擇PROFIBUS收發器
PROFIBUS與標準RS-485收發器的特性有兩大差異。首先是驅動器所提供的差動輸出電壓(VOD)，它特別適合PROFIBUS DP應用。其次是差動輸出電容，它是整個匯流排電容(station capacitance)的一部份，能把最大訊號速率控制在IEC 61158-2標準所設定的範圍內。
RS-485的VOD定義如圖2所示，專指60Ω電阻兩端在-7V到12V共模電壓範圍的差動輸出電壓。根據PROFIBUS DP主裝置和僕裝置測試規格，峰對峰差動輸出電壓VOD(PP)必須介於4V到7V之間。多數元件的資料表並不指定峰對峰值，而會要求VOD零對峰值電壓至少須達±2.1V，相當於4.2V的峰對峰電壓。
圖2左邊的等效電路代表連接32個單位負載的RS-485匯流排，右邊電路則是1個單位負載的PROFIBUS網路。這兩個等效電路並不相同，原因是PROFIBUS標準規定匯流排兩端須連接1個提升電阻和1個下拉電阻，以便匯流排在閒置時仍能提供差動電壓。
5V終端電壓會使VOD往正電壓偏移，造成接收器輸入端波形不對稱。這種不對稱可能導致接收器輸出負載週期失真，而失真程度則取決於訊號的升起與下降時間以及接收器的輸入臨界值。波形不對稱還會造成兩種邏輯狀態的雜訊邊限不同，這對PROFIBUS應用的影響特別大，因為此類應用大多位在充滿雜訊的工業環境。PROFIBUS DP測試準則要求匯流排電壓的振幅相差不超過0.5V，因此驅動器最終仍須將偏移電壓消除。
基於上述原因，PROFIBUS驅動器的最小VOD電壓必須大於RS-485應用的典型值。
訊號反射和Vcc變動會造成VOD電壓升高。PROFIBUS標準包含Type A線材規格定義(IEC 61158-2的表100)，用以搭配220Ω的匯流排終端阻抗。由於線材在20MHz頻寬範圍的特性阻抗介於135Ω到165Ω之間，線材末端的等效差動阻抗卻為171Ω，因而導致阻抗不匹配而造成訊號反射。這種現象和電源變動都可能讓VOD升高，甚至超過表1所列的PROFIBUS DP測試準則規定範圍。
因此，若要符合標準要求，最好將Vcc限制為5V，並且選擇特性阻抗近165Ω的線材。
匯流排最大電容
PROFIBUS的EN 50170和IEC 61158-2標準均限制特定訊號速率下所允許的最大匯流排電容；匯流排電容越大，訊號速率越低。舉例來說，所有匯流排節點的總電容在500kbps訊號速率下不能超過600pF，12Mbps所允許的最大電容則為200pF。匯流排電容包含匯流排所有連接器，截線(stub)和裝置的差動電容，但不包括線材電容。由於裝置電容變異是造成匯流排電容改變的主因，PROFIBUS收發器的資料表最好能指定最大輸出電容，以便精準預測所能達到的最高訊號速率。目前只有SN65HVD1176能保證最大輸出電容不超過10pF。
強健性(robustness)為收發器對電路過度操作(electrical overstress)的忍受程度，其衡量標準包括靜電放電、暫態電壓和共模電壓在內，而它們的區別在於峰值電壓和持續時間。測試絕對最大額定值時會使用峰值電壓較小而持續時間很長的電壓，靜電放電額定值會使用峰值電壓很高和時間很短的測試脈衝，暫態電壓則介於靜電放電額定值和絕對最大額定值之間。
匯流排接腳的絕對最大額定值是在不損壞匯流排的情形下，所能承受的最大低頻弦波振幅，建議操作條件則是絕對最大額定值的子集合。由於多數PROFIBUS收發器都是採用RS-485技術，故其匯流排I/O的建議操作條件與RS-485標準的-7V到+12V相同。不同廠商產品的絕對最大額定值也有差異，但通常會比建議操作條件所指定的電壓範圍還多出2V。
就像絕對最大額定值會限制建議操作條件的範圍一樣，建議操作條件也會限制接收器的共模電壓範圍。因為地電位差會使匯流排的共模電壓變大，而PROFIBUS收發器須能承受其所造成的接收器輸入訊號共模電壓偏移，故對須在不同地電位操作的應用來說，較大的共模電壓範圍對驅動器和接收器相當有益。
共模電壓拒斥能力(CMR)是另一種強健性指標，高共模電壓拒斥能力(即4V)代表收發器在共模電壓的振幅和升起時間大幅變動時，仍能精確地收發資料。
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xilinxue 发表于 2009/2/9 13:39:30
2楼 回复本楼靜電保護。靜電放電的振幅通常以千伏計算，升起時間則為奈秒。JEDEC標準在其22-A114-A測試方法章節中針對靜電測試做出規範，其中亦涵蓋人體靜態電模型(HBM)的定義。
收發器需要大電壓響應快速的內部保護二極體，才能承受這些高暫態電壓。圖3是A和B輸出的等效電路，它會在電壓超過16V時啟動靜電保護電路。值得注意的是，圖3裡的16V和收發器的16kV靜電保護額定值都與元件的絕對最大額定值不同。
暫態電壓過載保護。暫態電壓過載是由TIA/EIA-485標準所定義。當兩個爭奪控制權的裝置所造成的大電流受到干擾，電源便可能出現暫態電壓，而該標準的定義和要求即可對此提供保護。這類暫態事件的持續時間遠超過靜態放電(一為微秒，一為奈秒)，電壓振幅則大幅降低(一為±25V，一為kV)。這個規格的測試電壓為±25V，而SN65HVD1176等強健性優異的收發器則能承受±40V的暫態過載電壓。
前面提到多種可能的電路過度操作狀況，雖然元件在工業環境裡可能遇到的情形還不僅於此，上述情形仍可為元件強健性提供定性描述。
絕對最大額定值、暫態電壓過載保護和靜電保護額定值越大，介面就越穩定可靠。
本文小結
PROFIBUS是為工業應用所設計的介面，因此擁有優異的強健性，這可從收發器匯流排接腳的絕對最大額定值、暫態電壓過載保護和靜電保護額定值看出。SN65HVD1176不但比其它PROFIBUS收發器更強健，匯流排電容也很低(最大10pf)，完全符合IEC 61158-2標準對高速應用的電容要求。
作者：Thomas Kugelstadt
資深應用工程師
德州儀器
圖1：自動化應用的通訊架構。
圖2：RS-485與PROFIBUS的收發器負載比較。
圖3：SN65HVD1176的等效電路圖。
表1：VOD隨著Vcc改變的情形。
引用 xilinxue 2009/2/9 13:39:30 发表于2楼的内容
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