設(shè)計(jì)用于自動(dòng)化的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)速率

所有通信網(wǎng)絡(luò)的基本功能都是在不同地點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)速率是在一定時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。但是，不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率可以采用不同方法測(cè)量。對(duì)于模擬通信（如 4-20mA）來(lái)說(shuō)，速率受到電路元件帶寬的限制。對(duì)于數(shù)字通信，速率取決于每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)（二進(jìn)制數(shù)字）以及對(duì)于相關(guān)應(yīng)用實(shí)際傳輸?shù)挠行П忍乇壤?P>與網(wǎng)絡(luò)速度相關(guān)的另一個(gè)參數(shù)是數(shù)據(jù)時(shí)延，即：從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。數(shù)據(jù)速率、收發(fā)器傳播延遲、介質(zhì)傳播延遲和協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)都會(huì)影響數(shù)據(jù)時(shí)延。

收發(fā)器傳播延遲一般在 1 微秒以下；介質(zhì)（光纖或銅線）的傳播延遲只有光速的幾分之幾，因此每米線纜的延遲約為 3～5 納秒。所以，只有在超長(zhǎng)線纜（或超高速網(wǎng)絡(luò)）中介質(zhì)延遲才較為明顯。協(xié)議延遲是指，除了消息的數(shù)據(jù)有效負(fù)載之外所需的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)（奇偶校驗(yàn)、尋址、錯(cuò)誤檢測(cè)、握手位）造成的延遲。該延遲隨網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的不同而各異，但是對(duì)于格式復(fù)雜的較高級(jí)協(xié)議比較明顯。

數(shù)據(jù)速率與數(shù)據(jù)時(shí)延差異說(shuō)明如下：

高數(shù)據(jù)速率／數(shù)據(jù)時(shí)延大 - 收聽(tīng)西班牙語(yǔ)體育節(jié)目的錄音帶

低數(shù)據(jù)速率／數(shù)據(jù)時(shí)延小 - 通過(guò)電話收聽(tīng) James Earl Jones 實(shí)況節(jié)目

噪聲抗擾度

工業(yè)環(huán)境面臨大電流組件產(chǎn)生的挑戰(zhàn)，如：馬達(dá)、電泵、開(kāi)關(guān)電源、焊接設(shè)備以及機(jī)器人技術(shù)等。為了確保可靠的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，必須具備對(duì)上述噪聲源的抗擾能力。物理層需要合理接地、絕緣以及收發(fā)器功能。網(wǎng)絡(luò)中的高信號(hào)電平會(huì)提高信噪比。盡可能高的接收機(jī)閾值電平（常稱為“噪聲抑制”）可以從噪聲中分辨出有效信號(hào)。接收機(jī)閾值的滯后作用可以降低信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中噪聲造成錯(cuò)誤開(kāi)關(guān)的可能性。 圖2說(shuō)明滯后作用是如何提高噪聲抑制的。

圖2: 接收機(jī)閾值滯后作用

不過(guò)，上述每種噪聲抗擾度的改善都需要付出一定代價(jià)。高信號(hào)電平需要更高的功率，因而有可能對(duì)其他組件產(chǎn)生噪聲。高接收機(jī)閾值意味著系統(tǒng)更易出現(xiàn)介質(zhì)信號(hào)損失，從而縮短允許的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度。接收機(jī)滯后作用在不合理均衡的情況下會(huì)產(chǎn)生傳播延遲和脈寬失真。請(qǐng)注意在圖 2 中，滯后作用下的接收機(jī)輸出與無(wú)滯后作用時(shí)相比出現(xiàn)微小的響應(yīng)延遲。

網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度

網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)指標(biāo)是數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)木嚯x。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常需要較消費(fèi)類(lèi)、計(jì)算機(jī)或車(chē)載應(yīng)用更長(zhǎng)的連接距離。限制可允許的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度的因素包括：介質(zhì)損耗與電噪聲感應(yīng) (Noise pickup) （二者都會(huì)影響信噪比）以及介質(zhì)的傳播延遲（影響時(shí)延）。

無(wú)論介質(zhì)是銅線、光纖還是無(wú)線電都會(huì)出現(xiàn)損耗。光纖損耗極低（λ=1310 nm 時(shí)為 0.3 dB/1000m），因此采用光網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離的連接。典型的雙絞線銅線具有較高的損耗，頻率為 1 MHz 時(shí)每 100 米的損耗約為 1.5dB～5dB。如欲了解有關(guān)各種網(wǎng)絡(luò)的典型線纜衰減對(duì)比，請(qǐng)參見(jiàn)圖 4 。

TIA/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn) (RS-485) 規(guī)定的單位負(fù)載將假設(shè)的電流－電壓負(fù)載單位定義為對(duì)比收發(fā)器的依據(jù)。RS-485 收發(fā)器提供額定 1/8 單位負(fù)載，在不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)情況下在同一總線上允許掛接多達(dá) 8′32 或 256 個(gè)收發(fā)器。

圖4 ：雙絞線線纜每單位長(zhǎng)度衰減與頻率的關(guān)系圖

網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)要求比接收電平高得多的發(fā)送信號(hào)幅度來(lái)彌補(bǔ)介質(zhì)損耗。例如，RS-485 信令要求至少 1.5 V 的驅(qū)動(dòng)器輸出以及 200 mV 的接收機(jī)閾值。這樣可以產(chǎn)生 7.5 的系數(shù)，或者 17.5dB 余量，這使低信令速率下的線纜長(zhǎng)度可允許達(dá)到 1,200 米左右。表 3 顯示了典型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算范例。請(qǐng)注意：確定最長(zhǎng)允許網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度時(shí)介質(zhì)損耗并非唯一需要考慮的因素。