Profibus总线在双绞线上实现12M速率的初步研究

随着现代工业系统的发展,RS485总线已是用于工业系统中通信的最主要也是最普及的通信方式之一。Profibus现场总线的最高速率可12M，但通信距离很小。为扩大通信距离，需要实现传输的中继。研究在一对双绞线上传输12M速率的RS485信号，便是为实现12M速率的Profibus总线的传输中继与传输转换。

实现原理

Profibus总线采用一对RS485差分数字信号在一对双绞线上传输双向数据，两个方向数据在双绞线上是分时传输的，信号的传输方向在某一时间只能向一个方向传输，在另一时间可以向另外一个方向传输。

为Profibus总线的中继原理是：中继器（或其他传输设备）同时监视两侧的RS485总线，当有一方（这里简称A侧，另一侧则简称B侧，以下同）总线有数据时，立即接收数据，如果B侧的总线没有使用，就将刚从A方接收的数据传到B侧端，并驱动B侧的双绞线；在这一过程中，如果A铡的数据已停，总线上已没有数据，又回到初始的双向监视状态。在信号从B向传向A向的数据也是同样的过程。

为此实现Profibus总线的中继与传输，需要识别信号的传输方向、完成双向数据的接收与转发、接收双绞线上差分电信号与驱动双绞线以及完成传输的信号转换等。

双向控制

实现RS485信号传输的双向识别的方法很多，对于低速的RS485信号传输，可以采用两个异步串行接口单元，一个单元接收，另一个单元转发。但当速率提高到12M时，完成这样的功能的可实现单元就很少了，且价格都很昂贵。为此，我们应研究一种更为低成本的双向数据流控制的实现方案。

结合现代同步传输理论，传输的本质信号的转移，对一向RS485这样的二值电平信号的传输就是信号电平及边沿的转移，为此，我们可以研究信号电平及边沿的转移特性，经期采用这样的特性实现RS485信号的传输。

在同步信号传输中，为满足信号的传输质量，要求信号的传输边沿抖动特性符合一定的要求，通常要求瞬时抖动时间小于其数字单比特周期的1/16（比如电信网中的基群信号的传输瞬时抖动要求）。在异步数据通信中（比如CPU的串行接口或多种串品收发电路），通常采用16倍的信号时钟读取异步数据，如果采用16次采样的中间三次取得数据的值，则在接收信号时，一个有效的数据比特时间应最少是总周期的10/16，也就是说，允许接收端有单比特的6/16的时间抖动（这一结论的前提是16次采样并取三次有效），假定信号在传输过程中可能引起的超前与滞后为等概率，则采样周期应小于传输数据周期的1/5，所以，要完成点对点的RS485双向数据通信，若采用数字信号电平转移的方式，最少需要采样率为最高速率的5倍（这一结果仍是基于16倍采样，中间三次取值的前提得出的）。为了能适应大多数据的接收器允许的误差，满足传输误码率的要求，通常要求传信号的速率要高于12倍的最高信号比特率。

基于上述，要取得有效的12M数据，需要144M以上的采样速率完成信号识别。

同时，在完成信号识别到处理信号的收发控制应在约6ns的时间。

为完成信号的驱动，需要知道何时数据结束，对于传输12M的Profibus总线数据，如何识别传输数据的结速是一个难题。为此，应建立专用的总线空闲标识，以决定何时可以同时监测两侧的数据。

总线接收与驱动

在实现Profibus总线双向中继传输时，信号的接收与驱动需要有特殊的要求，对于12M的信号，其周期约为80ns，为达到更高的精度要求，防止信号的崎变对传输影响，信号的上升沿与下降沿都要有时间上的要求，比如，要达到5-8个ns，否则对信号传输的误码率将产生严重的影响。这是一般的驱动器所做不到的。在接收端，对总线的快速响应时间是个重要指标，同样要求接收信号引起的崎变要尽可能的小，并能达到传输对时间的要求。

信号的传播与终端匹配

RS485信号在双绞线中的传输特性符合传输线理论。传输线相当于一个双端口网络，可等效成电容、电感与电阻的混合网络，其输入与输出阻抗特性因型号的不同而不同；选用Profibus总线专用双绞线，等效阻抗为120欧。等效阻抗不是一个绝对值，是相对于传输信号的频率而变化的，当信号的频率很高时，期电容特性表现明显，所以，对于传输12M的数据信号，表现为低阻容性负载，吸收信号的能量快，使传输距离变短。另外，在通信中传输的信号是以边沿计时的，边沿等效为多外高次谐波的叠加，而在传输中，传输线对高频的信号吸收过快，从而引起信号的崎变加大，当崎变到一定程度时，在接收端不能正确的接收数据，从而进一步使传输距离变短。

信号从发送端进入双绞线后，传到另一端，如果终端阻抗不匹配，则回引起回波反射，阻抗的不匹配程序可以引起反射波的幅度与相位都不相同，当一端为低阻网络时，会吸收掉网络上的大部分网络，但也会造成传输能量的大量损耗，使传输距离大大受影响。正如上面所说，当数字信号在传输线上传输时，其高频成份在还不能到达传输线的另一端时已被完全吸收，而低次频率份量则还会传到对端在阻抗不匹配时产生反射。我们需要做的就是，在倍传输过程中，让吸收的程序与反射的程序都降到较小，以达到我们最好的传输质量。

终端匹配网络是减小反射的一种方法，可以有效降低信号的对传输的影响。当信号传输到12M速率时，因高频信号衰减太快，为使信号能够被识别，只有缩短传输距离，所以高速Profibus总线的传输距离要比低速总线短很多。

在信号传输时，信号在传输线中每1ns大约传输17cm，要传输一个12M的信号，如果采样率约为6ns，则在约1米的传输线上传送着以个可以被部优别的时间传输单元，加上传输的驱动器与接收器的延时，会对信号的控制产生更大难度。

测试结果

通过采用勾股通信NS21 Profibus总线通信模块的测试，在通常的120欧匹配网络的前提条件下，传输双工的RS485数据，在达到12M的速率时，可以传输约10米的距离，这一性能与采用SIMENS的S300 系列PLC产品直接互连时测试的结果基本相同。并通过现场应用测试。

结束语

通过高速与有效的控制，可以实现全速率的Profibus总线的双向总线中继与传输。