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西門子6ES7212-1BB23-0XB8性能參數(shù)
西門子6ES7212-1BB23-0XB8性能參數(shù)
rs-422與rs-485串行接口標(biāo)準(zhǔn)
1．平衡傳輸
rs-422,、rs-485與rs-232不一樣,，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式,，也稱作平衡傳輸,，它使用一對雙絞線,，將其中一線定義為a,，另一線定義為b,，如圖2。
通常情況下,，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器a,、b之間的正電平在+2～+6v，是一個(gè)邏輯狀態(tài),，負(fù)電平在-2～6v,，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號地c,，在rs-485中還有一“使能"端,，而在rs-422中這是可用可不用的?！笆鼓?端是用于控制發(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接,。當(dāng)“使能"端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài),，稱作“第三態(tài)",，即它是有別于邏輯“1"與“0"的第三態(tài)。
接收器也作與發(fā)送端相對的規(guī)定,，收,、發(fā)端通過平衡雙絞線將aa與bb對應(yīng)相連，當(dāng)在收端ab之間有大于+200mv的電平時(shí),，輸出正邏輯電平,，小于-200mv時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平,。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mv至6v之間,。參見圖3。
2．rs-422電氣規(guī)定
rs-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性",，它定義了接口電路的特性,。圖5是典型的rs-422四線接口。實(shí)際上還有一根信號地線,，共5根線,。圖4是其db9連接器引腳定義,。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比rs232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn),，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn),。即一個(gè)主設(shè)備（master），其余為從設(shè)備（salve）,，從設(shè)備之間不能通信,，所以rs-422支持點(diǎn)對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k,，故發(fā)端最大負(fù)載能力是10×4k+100ω（終接電阻）,。rs-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向,，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（xon/xoff握手）或硬件方式（一對單獨(dú)的雙絞線）實(shí)現(xiàn),。
rs-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10mb/s,。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比,，在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離,。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸,。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1mb/s。
rs-422需要一終接電阻,，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗,。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻,。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端,。
rs-422有關(guān)電氣參數(shù)見表1
3．rs-485電氣規(guī)定
由于rs-485是從rs-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以rs-485許多電氣規(guī)定與rs-422相仿,。如都采用平衡傳輸方式,、都需要在傳輸線上接終接電阻等。rs-485可以采用二線與四線方式,，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信,，參見圖6。
而采用四線連接時(shí),，與rs-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的通信,，即只能有一個(gè)主（master）設(shè)備，其余為從設(shè)備,，但它比rs-422有改進(jìn),， 無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個(gè)設(shè)備。參見圖7,。
rs-485與rs-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的,，rs-485是-7v至+12v之間,，而rs-422在-7v至+7v之間，rs-485接收器最小輸入阻抗為12k劍鳵s-422是4k??；舊峽梢運(yùn)礡s-485滿足所有rs-422的規(guī)范，所以rs-485的驅(qū)動(dòng)器可以用在rs-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用,。
rs-485有關(guān)電氣規(guī)定參見表1。
rs-485與rs-422一樣,，其最大傳輸距離約為1219米,，最大傳輸速率為10mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比,，在100kb/s速率以下,，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸,。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1mb/s,。
rs-485需要2個(gè)終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗,。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻,，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸總線的兩端,。
四,、rs-422與rs-485的網(wǎng)絡(luò)安裝注意要點(diǎn)
rs-422可支持10個(gè)節(jié)點(diǎn)，rs-485支持32個(gè)節(jié)點(diǎn),，因此多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò),。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí),，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：
1．采用一條雙絞線電纜作總線，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來,，從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長度應(yīng)盡量短,，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響。圖8所示為實(shí)際應(yīng)用中常見的一些錯(cuò)誤連接方式（a,，c,，e）和正確的連接方式（b，d,，f）,。a，c,，e這三種網(wǎng)絡(luò)連接盡管不正確,，在短距離,、低速率仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高,，其不良影響會(huì)越來越嚴(yán)重,，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，會(huì)造成信號質(zhì)量下降,。
2．應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性,，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生信號的反射。下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：總線的不同區(qū)段采用了不同電纜,，或某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝,，再者是過長的分支線引出到總線。
總之,，應(yīng)該提供一條單一,、連續(xù)的信號通道作為總線。
圖8
五,、rs-422與rs-485傳輸線上匹配的一些說明
對rs-422與rs-485總線網(wǎng)絡(luò)一般要使用終接電阻進(jìn)行匹配,。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。那么在什么情況下不用考慮匹配呢,？理論上,，在每個(gè)接收數(shù)據(jù)信號的中點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，只要反射信號在開始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配,。但這在實(shí)際上難以掌握,，美國maxim公司有篇文章提到一條經(jīng)驗(yàn)性的原則可以用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當(dāng)信號的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升或下降時(shí)間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的rs-485接口max483輸出信號的上升或下降時(shí)間最小為250ns,，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns（24awg pvc電纜）,，那么只要數(shù)據(jù)速率在250kb/s以內(nèi)、電纜長度不超過16米,，采用max483作為rs-485接口時(shí)就可以不加終端匹配,。
一般終端匹配采用終接電阻方法，前文已有提及,，rs-422在總線電纜的遠(yuǎn)端并接電阻,，rs-485則應(yīng)在總線電纜的開始和末端都需并接終接電阻。終接電阻一般在rs-422網(wǎng)絡(luò)中取100ω,，在rs-485網(wǎng)絡(luò)中取120ω,。相當(dāng)于電纜特性阻抗的電阻，因?yàn)榇蠖鄶?shù)雙絞線電纜特性阻抗大約在100～120ω,。這種匹配方法簡單有效,，但有一個(gè)缺點(diǎn)，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合,。
另外一種比較省電的匹配方式是rc匹配,，如圖9。利用一只電容c隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率,。但電容c的取值是個(gè)難點(diǎn),，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。
還有一種采用的匹配方法,，如圖10,。這種方案雖未實(shí)現(xiàn)真正的“匹配"，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號,，達(dá)到改善信號質(zhì)量的目的,。節(jié)能。
六,、rs-422與rs-485的接地問題
電子系統(tǒng)接地是很重要的,，但常常被忽視,。接地處理不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全,。rs-422與rs-485傳輸網(wǎng)絡(luò)的接地同樣也是很重要的，因?yàn)榻拥叵到y(tǒng)不合理會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下,，對于接地的要求更為嚴(yán)格。否則接口損壞率較高,。很多情況下,，連接rs-422、rs-485通信鏈路時(shí)只是簡單地用一對雙絞線將各個(gè)接口的“a",、“b"端連接起來,。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的,，但卻埋下了很大的隱患,，這有下面二個(gè)原因：
1．共模干擾問題：正如前文已述，rs-422與rs-485接口均采用差分方式傳輸信號方式,，并不需要相對于某個(gè)參照點(diǎn)來檢測信號,，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍,，如rs-422共模電壓范圍為-7～+7v,，而rs-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12v，只有滿足上述條件,，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才能正常工作,。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口,。以圖11為例,，當(dāng)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器a向接收器b發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器a的輸出共模電壓為vos，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng),，存在著地電位差vgpd,。那么，接收器輸入端的共模電壓vcm就會(huì)達(dá)到vcm=vos+vgpd,。rs-422與rs-485標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定vos≤3v,，但vgpd可能會(huì)有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強(qiáng)干擾信號,，致使接收器共模輸入vcm超出正常范圍,，并在傳輸線路上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信,，重則損壞通信接口電路,。
圖11
2．（emi）問題：發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒有一個(gè)低阻的返回通道（信號地）,，就會(huì)以輻射的形式返回源端,，整個(gè)總線就會(huì)像一個(gè)巨大的天線向外輻射電磁波。
由于上述原因,，rs-422,、rs-485盡管采用差分平衡傳輸方式，但對整個(gè)rs-422或rs-485網(wǎng)絡(luò),，必須有一條低阻的信號地,。一條低阻的信號地將兩個(gè)接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓vgpd被短路,。這條信號地可以是額外的一條線（非屏蔽雙絞線）,，或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。這是最通常的接地方法,。
值得注意的是,，這種做法僅對高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大,，短接后不會(huì)形成很大的接地環(huán)路電流,，對于通信不會(huì)有很大影響。當(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時(shí),，會(huì)在接地線上形成較大的環(huán)路電流,，影響正常通信。筆者認(rèn)為,，可以采取以下三種措施：
（1） 如果干擾源內(nèi)阻不是非常小,，可以在接地線上加限流電阻以限制干擾電流。接地電阻的增加可能會(huì)使共模電壓升高，但只要控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)就不會(huì)影響正常通信,。
（2） 采用浮地技術(shù),，隔斷接地環(huán)路。這是較常用也是十分有效的一種方法,，當(dāng)共模干擾內(nèi)阻很小時(shí)上述方法已不能奏效,，此時(shí)可以考慮將引入干擾的節(jié)點(diǎn)（例如處于惡劣的工作環(huán)境的現(xiàn)場設(shè)備）浮置起來（也就是系統(tǒng)的電路地與機(jī)殼或大地隔離），這樣就隔斷了接地環(huán)路,，不會(huì)形成很大的環(huán)路電流,。
（3） 采用隔離接口。有些情況下,，出于安全或其它方面的考慮,，電路地必須與機(jī)殼或大地相連，不能懸浮,，這時(shí)可以采用隔離接口來隔斷接地回路,，但是仍然應(yīng)該有一條地線將隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連。參見圖12,。
圖12
七,、rs-422與rs-485的網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)
rs-422與rs-485標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了接收器門限為±200mv。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力,，如前文所述,，當(dāng)接收器a電平比b電平高+200mv以上時(shí),，輸出為正邏輯,，反之，則輸出為負(fù)邏輯,。但由于第三態(tài)的存在,，即在主機(jī)在發(fā)端發(fā)完一個(gè)信息數(shù)據(jù)后，將總線置于第三態(tài),，即總線空閑時(shí)沒有任何信號驅(qū)動(dòng)總線,，使ab之間的電壓在-200～+200mv直至趨于0v，這帶來了一個(gè)問題：接收器輸出狀態(tài)不確定,。如果接收機(jī)的輸出為0v,，網(wǎng)絡(luò)中從機(jī)將把其解釋為一個(gè)新的啟動(dòng)位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié),，由于永遠(yuǎn)不會(huì)有停止位,，產(chǎn)生一個(gè)幀錯(cuò)誤結(jié)果，不再有設(shè)備請求總線,，網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓狀態(tài),。除上述所述的總線空閑會(huì)造成兩線電壓差低于200mv的情況外，開路或短路時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。故應(yīng)采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態(tài),。
圖13
通常是在總線上加偏置,，當(dāng)總線空閑或開路時(shí)，利用偏置電阻將總線偏置在一個(gè)確定的狀態(tài)（差分電壓≥-200mv）,。如圖13,。將a上拉到地，b下拉到5v,，電阻的典型值是1kω,，具體數(shù)值隨電纜的電容變化而變化。
上述方法是比較經(jīng)典的方法,，但它仍然不能解決總線短路時(shí)的問題,，有些廠家將接收門限移到-200mv/-50mv，可解決這個(gè)問題,。例如maxim公司的max3080系列rs-485接口,，不僅省去了外部偏置電阻，而且解決了總線短路情況下的失效保護(hù)問題,。
八,、rs-422與rs-485的瞬態(tài)保護(hù)
前文提到的信號接地措施，只對低頻率的共模干擾有保護(hù)作用,，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了,。由于傳輸線對高頻信號而言就是相當(dāng)于電感，因此對于高頻瞬態(tài)干擾,，接地線實(shí)際等同于開路,。這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時(shí)間短暫，但可能會(huì)有成百上千伏的電壓,。
實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下還是存在高頻瞬態(tài)干擾的可能,。一般在切換大功率感性負(fù)載如電機(jī)、變壓器,、等或閃電過程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾,，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞rs-422或rs-485通信接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù),。
1．隔離保護(hù)方法,。這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻,，不會(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電流,，起到保護(hù)接口的作用。通常采用高頻變壓器,、光耦等元件實(shí)現(xiàn)接口的電氣隔離,，已有器件廠商將所有這些元件集成在一片ic中,，使用起來非常簡便，如maxim公司的max1480/max1490,，隔離電壓可達(dá)2500v,。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以承受高電壓、持續(xù)時(shí)間較長的瞬態(tài)干擾,，實(shí)現(xiàn)起來也比較容易,，缺點(diǎn)是成本較高。
2．旁路保護(hù)方法,。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件（如tvs,、mov、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地,，優(yōu)點(diǎn)是成本較低,，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限，只能保護(hù)一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾,，持續(xù)時(shí)間不能很長,，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來比較困難,。實(shí)際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來靈活加以運(yùn)用,，如圖14。在這種方法中,，隔離接口對大幅度瞬態(tài)干擾進(jìn)行隔離,，旁路元件則保護(hù)隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。