揭开 PROFIBUS-DP 物理层的面纱

作者：Christopher Gobok，产品市场工程师，混合信号产品部，凌力尔特公司

引言

PROFIBUS-DP （分布式外设） 现场总线标准已经存在了 20 多年，可是，物理层的要求可能仍然不明朗，这常常导致在收发器定义中出现混淆紊乱的情况。 不过，任何含糊不清显然并未阻止 PROFIBUS 成为一种成功 （也许是最成功） 的现场总线解决方案，在世界各地安装的设备数量已超过了 5，000 万部。

当部署新的系统时，需要知道所使用的收发器是按照 PROFIBUS-DP 标准最新和准确的解释设计的，这一点是很重要。凌力尔特的 LTC2877 PROFIBUS-DP 接收器可应对此类需求，其采取了真正坚持执行最新 IEC 61158-2 PROFIBUS-DP 标准，并增添了极致的保持机制，从而提升了新的主控设备和受控设备的兼容性和可靠性。

PROFIBUS-DP 基础知识

较快、较简单的 PROFIBU-DP 标准是在 1993 年从较慢、较复杂的 PROFIBUS FMS （现场总线报文规范） 父代标准的基础上诞生的。PROFIBU-DP 也有一个"更年轻的兄弟"或衍生的标准 PROFIBUS-PA （过程自动化），该标准采用曼彻斯特编码总线供电 （MBP） 传输，增加了总线供电功能，使其非常适合危险环境中的本质安全应用。除此以外，PROFIBUS-DP 也是目前使用最广泛的 PROFIBUS 版本，这很可能是因为其即插即用基本特征、灵活性和成本效益性在大多数现场总线应用中具有吸引力。从工业工厂中传感器和执行器的管理，到与铁路站场上流量计的通信，PROFIBUS-DP 使 I/O 卡 （主控器） 与控制器分散并让它们更靠近传感器和执行器 （受控器），从而给安装和操作带来了许多好处。

PROFIBUS-DP 能通过多种媒体进行通信，包括铜线、光纤、甚至空气 （在红外线通信装置中）。到目前为止，PROFIBUS-DP 主控器和受控器最常用的位元传输 （ISO/OSI 模型的第一层） 媒体是双绞线，它连接着采用 TIA/EIA-485-A （RS485） 收发器进行通信的设备。考虑到 RS485 的高速差分信号传输能力以及可在工厂应用等噪声环境中通过长距离完成多部设备之间的坚固型通信，这并不令人惊讶。在线性拓扑中，使用 RS485 收发器的多个主控器，例如 PLC （可编程逻辑控制器），每个段可连接 30 个受控器，在这种拓扑中，使用集线器 （并行段） 或中继器 （串行段） 可将网络扩展为连接 124 个受控器。每个段必须采用有源终端在两端进行终接。所有的受控器均可热交换到总线，而且它们的位置无关紧要，因为每个受控器都被分配了唯一的网络地址。

95% RS485，5% 混杂

PROFIBUS-DP 采用了大部分的 TIA/EIA-485-A （RS485） 标准，但确实做了少量的改动，这些改动会由于较大的系统问题而被意外忽略。因此，与人们普遍相信的情况相反，并非所有的 RS485 收发器和电缆都适合 PROFIBUS-DP 网络，反之亦然。电缆布线、终接、信号名称和驱动器要求方面的差异的确存在；过于仓促地拒绝考虑这些差异有可能容易地让您在主控设备或受控设备的性能 （或更糟，包括认证） 方面付出代价。

虽然 RS485 标准并未规定任何特殊的电缆布线要求，但是 120? 屏蔽双绞线已经成为了通常的推荐方案。然而，PROFIBUS-DP 则推荐使用 150? 屏蔽双绞线。不幸的是，120? 不能近似为 150?，而这细小的电缆阻抗差异实际上导致必需采用不同的 （而且在大多数场合中还是新的） 电缆。另外，PROFIBUS-DP 还规定了一个最大电缆长度，该长度取决于所使用的是 10 种波特率 "步幅" 中的哪一种 （从 9.6kbps 时的 1200m 到 12Mbps 时的 100m）。

当然，电缆阻抗要求不同，终端要求便随之不同。为最大限度减少信号反射，RS485 装置通常在总线的两端都采用单个 120? 终端电阻器，而 PROFIBUS-DP 则建议在总线的两端采用一个 171? 终端网络。等一下，这是不是打字错误了？……PROFIBUS-DP 推荐使用一个 171? 终端网络，因此与同样由它推荐的 150? 电缆特征阻抗就不匹配了？ 正是如此！图 1 示出了 PROFIBUS-DP 所用的电缆和终端网络与 RS485 存在怎样的不同。由图可见，PROFIBUS-DP 采用了两个 390? 总线偏置电阻器连同 220? 终端电阻器；该终端网络的有效差分电阻为 171?，这显然与 150? 电缆并不是完全匹配，因而形成了一个轻微欠阻尼的网络。但是不要担心，因为在电缆的接收端这把其自身呈现为仅仅是信号电压的一个小幅凸起 （即增加），而持续的时间是电缆传播延迟的两倍。

图 1：RS485 和 PROFIBUS-DP 网络中的电缆、终端和引脚差异

假如电缆 / 终端失配还不够，那么 PROFIBUS 收发器上总线引脚