给工业造成数十亿美金损失严重的ESD问题,我们最后用RS-485通信给解决了|Maxim设计指南

美信半导体 发表于 2017-09-01 09:36:46 收藏 已收藏
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给工业造成数十亿美金损失严重的ESD问题,我们最后用RS-485通信给解决了|Maxim设计指南

美信半导体 发表于 2017-09-01 09:36:46
工业自动化管无线网络越来越普及,有线串行网络依然是最可靠、鲁棒性最好的通信方式,特别是在恶劣环境下。对于工业和楼宇自动化等要求具备较高的抗干扰、抗静电能力,以及高压故障保护的应用环境,这类网络能够提供更有效通信,进而保障设备的正常运行时间。本指南回顾RS-485协议并讨论其广泛用于工业领域的原因,以及常见问题的解决途径。 

 

RS-485的特性使其成为恶劣工业环境下应用最广的接口协议

 

在恶劣的工业和楼宇自动化网中,RS-485收发器是实现串口通信最常见的物理层接口。该串行标准通过两根线提供差分信号,实现工业应用所需的远距离、高速率传输。RS-485标准提供的接口可承受恶劣环境。工业和楼宇自动化应用中最常见的问题之一是在快速切换电感负载、静电放电以及工厂自动化设备运转过程中频繁的电压浪涌,会产生较大的电气特性瞬变,进而破坏数据传输或造成物理网络损坏。

 

现在常用的数据接口协议有很多种,每种协议都是针对特定的应用开的,具有特定的协议规范和结构。接口包括CAN丄RS-232丄RS-485/RS-422、I2C、I2S、LIN、SPI和SMBus等。其中,RS-485和RS-422仍然是最可靠的协议之一,特别适合工厂和楼宇自动化等恶劣的工业电气环境。

 

尽管RS-485与RS-422非常相似,但两者不同。以下是这两项标准之间的一些差异,设计系统时需要注意。RS-422最适合只需要一个总线主机(驱动器)的工业环境,提供高达10Mbps的数据传输机制。RS-422使用两根线发送信号,提高最大波特率和电缆长度。RS-422是为多点应用设计的,总线上只连接一个发送器且只有一个发送器进行发送,最多10个接收器(图1)。典型应用包括过程自动化(化工、酿造、造纸厂)、工厂自动化(汽车和金属制造)、HVAC、安防、电机控制和运动控制。

 

图1. RS-422多点总线

 

当需要多个总线主机/驱动器时,RS-485具有更高的灵活性。该标准在RS-422的基础上进行改进,将设备数量从10个提高到了32个,拥有更宽的共模和差分电压范围,确保在最大负载下具有足够的信号电压。拥有这种增强的多点功能后,用户可构建连接到单个RS-485串口的设备网络。较强的抗噪性和多点功能使RS-485成为工业应用中的首选串行链路,可将多个分布式设备通过网络连接到PC或者其它控制器,实现数据采集、HMI等类似操作。RS-485是RS-422的扩展,因此所有RS-422设备均可通过RS-485进行控制。

 

RS-485与RS-422的典型应用相类似: 过程自动化( 化工、酿造、造纸厂) 、工厂自动化( 汽车和金属制造)、HVAC、安防、电机控制和运动控制。由于RS-485提高了灵活性,所以在两者中更常见。

 

 

深入了解RS-485

 

如上所述,TIA/EIA-485常被称为RS-485,是工业中应用最广的接口。RS-485可用于长达4000英尺的距离和高达52 Mbps的速率,理想用于大型工厂环境,以支持工业自动化所需的高数据速率和长电缆距离。

 

RS-485接口可使用一对传输线工作在半双工模式,或使用两对线(4线)工作在全双工模式,以同时发送和接收数据。半双工多点配置时可支持最多32个驱动器和多达32个接收器。市场上已经出现具有1/4单位负载甚至1/8单位负载接收器输入阻抗的新器件,例如MAX13448E,允许一条总线上挂接128至256个接收器。拥有这种增强的多点功能后,用户可构建大型RS-485串行设备网络,如图2所示。

 

图2.工业应用中常见的多点半双工收发器系统

 

接收器输入检测灵敏度为±200mV,意味着接收器只有检测到高于+200mV和低于-200mV的信号电平才识别为1或0位(图3)。在±200mV范围之内的噪声被有效屏蔽。差分信号有效消除共模噪声。最小接收器输入阻抗为12kΩ,驱动器输出电压最小值±1.5V、最大值±5V。

 

图3. RS-485的最小总线信号电平

 

工业环境带来的挑战

 

ESD是一种严重的工业问题,据估算每年造成数十亿美元的损失。

 

在可能损坏硬件或对数字通信产生不利影响的环境条件下,为保证可靠操作,工业系统设计师面临诸多困难。

 

其中之一是工厂自动化领域的过程自动控制环节。过程控制器监测、测量环境变量,并将执行命令发送到控制或报警装置。控制器大多基于微控制器设计,其架构优化满足工厂和应用的需求。这些系统中的点对点通信线路容易受恶劣电气环境的影响。

 

工业应用中使用的DC - DC转换器包括高输入电压和隔离电源转换器。许多应用采用24V或48V DC分布式供电。总线电源降压转换至12V或5V后,再采用负载点转换器提供必要的供电。用于远端传感器和执行器通信的网络还需要保护措施,以防止瞬态、EMI以及地电位差的影响。

 

Maxim Integrated致力于保证工业应用IC的可靠性,并且能够承受恶劣的电气环境。Maxim的RS-485收发器IC内置保护功能,例如高ESD保护、高压故障保护(防止较大电压尖峰)和热插拔功能,确保无误码数据传输。

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