在RS485網(wǎng)絡(luò)中使用隔離帶來的性能好處

從工業(yè)控制系統(tǒng)到路邊的交通信息通告板，RS485網(wǎng)絡(luò)是各類應(yīng)用進(jìn)行通信的基礎(chǔ)。在高壓環(huán)境中，從人身安全和設(shè)備保護(hù)的角度出發(fā)，常常在通信總線到邏輯控制器之間進(jìn)行電氣隔離。

隔離對(duì)系統(tǒng)性能的正面影響遠(yuǎn)非保護(hù)其免受危險(xiǎn)電壓那么簡單，但這點(diǎn)卻總是被人們忽略，事實(shí)上，隔離可以使通信在嚴(yán)重地?cái)_動(dòng)和其它系統(tǒng)級(jí)噪聲存在的情況下不間斷、無差錯(cuò)。

目前市場上有不同廠商提供的隔離式RS485收發(fā)器。這些解決方案大多數(shù)提供數(shù)據(jù)隔離，不提供驅(qū)動(dòng)總線接口所需的隔離電源。用戶只好自己設(shè)計(jì)解決方案，但這需要笨重、昂貴的分立組件以形成隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器?？傮w尺寸、成本、功耗或復(fù)雜性可能使設(shè)計(jì)師不敢在系統(tǒng)中使用隔離，而系統(tǒng)卻可能從隔離中真正受益。

凌力爾特公司新的隔離器微型模塊(Module)技術(shù)采用小型11.25mm x 15mm x 2.8mm表面貼裝，提供一個(gè)完整的電源和數(shù)據(jù)隔離解決方案(圖1)。LTM2881包含一個(gè)可靠的隔離式RS485收發(fā)器和一個(gè)隔離式DC-DC 轉(zhuǎn)換器，能為總線接口電路和輔助電路提供高達(dá)1W的功率。這個(gè)微型模塊收發(fā)器不需要外部組件，甚至去耦電容器和一個(gè)可電通斷的網(wǎng)絡(luò)終止電阻器也是內(nèi)置的。對(duì)于為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的RS485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)隔離來說，易于使用和小的占位面積使LTM2881比以往任何時(shí)候都更有吸引力。

圖 1: 凌力爾特公司新的隔離器微型模塊LTM2881。

本文將討論在RS485網(wǎng)絡(luò)中使用隔離帶來的性能好處，指出可能受益于隔離的網(wǎng)絡(luò)特性，解釋為了最大化隔離系統(tǒng)的性能，如何在各種配線配置中進(jìn)行權(quán)衡。

地與共模電壓干擾

開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化RS485，是為了在地電位差高達(dá)±7V的收發(fā)器之間實(shí)現(xiàn)通信。相對(duì)于任意節(jié)點(diǎn)的局部“地”，總線上的信號(hào)允許承擔(dān)-7V至+12V的電壓。這些地電位差由各種情況引起，包括大地地電位變化，或受負(fù)載影響的其它電路所共用的接地回路壓降。

在有些情況下，沒有直接聯(lián)系的瞬態(tài)事件可能導(dǎo)致遠(yuǎn)超過±7V的地電位改變。這些情況有可能在接收數(shù)據(jù)中引入差錯(cuò)，或者更糟，去損壞收發(fā)器及有關(guān)的系統(tǒng)電路。恰當(dāng)使用一個(gè)諸如凌力爾特LTM2881的隔離式收發(fā)器，可擴(kuò)大所允許的共模電壓范圍(差分信號(hào)線路相對(duì)于地的平均電壓)，并保護(hù)電路免受560V連續(xù)高壓或持續(xù)60秒的3750VDC引起的損壞。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路在建筑物之間經(jīng)過時(shí)，間接的閃電沖擊是常見的引起嚴(yán)重電壓干擾的原因。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)常常用來吸收非常高的瞬態(tài)電壓，同時(shí)用隔離提供附加的保護(hù)。沒有隔離，單次電壓浪涌可能損壞一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備。

多次重復(fù)的地和信號(hào)干擾，可能源自對(duì)鄰近RS485總線配線的60Hz AC電源線的耦合，或者60Hz電流可能傳導(dǎo)到共用地或電源線中。計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、熒光燈、變速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器和其他的電子非線性負(fù)載也會(huì)將顯著的頻率諧波引入功率分配中線、接地線和通信網(wǎng)絡(luò)線。正如下面的內(nèi)容將顯示的那樣，這些干擾可能在 RS485網(wǎng)絡(luò)中引起真實(shí)的數(shù)據(jù)差錯(cuò)，而隔離可以減輕這個(gè)問題。

發(fā)送數(shù)據(jù)不被接受

面向非隔離和隔離網(wǎng)絡(luò)的RS485配線配置如圖2所示。為了方便起見，該圖顯示了點(diǎn)到點(diǎn)單向通信，但是其中的理念也適用于多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。圖2a顯示了一個(gè)用低成本5e類(Cat 5e)電纜實(shí)現(xiàn)的非隔離、無屏蔽雙絞線連接。圖3顯示，在驅(qū)動(dòng)100英尺電纜并在驅(qū)動(dòng)器和接收器之間引入一個(gè)地電位差時(shí)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)點(diǎn)捕捉的示波器波形。波形的顏色對(duì)應(yīng)于圖2中探頭位置的顏色。接收器輸出端的所有信號(hào)都相對(duì)于大地的地電位測量。

圖 2：RS485 配線配置