Mit Fieldbus schneller und weiter

Branchenexperten wie PROCENTEC zeigen ein stetiges Wachstum bei der Einführung der RS-485-basierten Feldbustechnologie (PROFIBUS ^® ) und schnelles Wachstum für Industrial Ethernet (PROFINET). Im Jahr 2018 waren weltweit 61 Millionen PROFIBUS-Feldbusknoten installiert, wobei die PROFIBUS-Prozessautomatisierung (PA) im Vergleich zum Vorjahr um 7 % wuchs. Die PROFINET-Installationsbasis beträgt 26 Millionen Knoten, wobei allein im Jahr 2018 5,1 Millionen Geräte installiert wurden. ¹

Mit diesem stetigen Wachstum bei der Einführung von RS-485-Feldbussen und Industrie 4.0, die den Einsatz intelligenter vernetzter Fabriken beschleunigen, trägt die Sicherstellung der Optimierung der Feldbustechnologien dazu bei, ein intelligentes System zu ermöglichen. Optimierte Feldbustechnologien müssen EMV-Robustheit und zuverlässige Datenübertragung sorgfältig ausbalancieren.

Eine unzuverlässige Datenübertragung verringert die Gesamtsystemleistung. In Motion-Control-Anwendungen wird Feldbus typischerweise für die Positionsregelung von Einachs- oder Mehrachsmotoren verwendet. Hohe Datenraten und lange Kabel sind üblich, wie in Abbildung 1 gezeigt. Wenn die Positionssteuerung unzuverlässig ist, bedeutet eine Leistungseinbuße in der Praxis einen geringeren Maschinendurchsatz und eine geringere Fabrikproduktivität. In drahtlosen Infrastrukturanwendungen wird Feldbus typischerweise für die Neigungs-/Positionssteuerung der Antenne verwendet, wo eine genaue Datenübertragung entscheidend ist. Sowohl bei Bewegungssteuerungs- als auch bei drahtlosen Infrastrukturanwendungen sind unterschiedliche EMV-Schutzstufen erforderlich, wie in Abbildung 1 gezeigt. Bewegungssteuerungsanwendungen arbeiten normalerweise in Umgebungen mit elektrischem Rauschen, was zu Datenfehlern führen kann. Im Vergleich dazu muss die drahtlose Infrastruktur in einer exponierten Umgebung vor schädlichen indirekten Blitzeinschlägen geschützt werden.

Für diese anspruchsvollen Anwendungen ist eine sorgfältige Prüfung der Timing-Leistung des RS-485-Transceivers über Kabel erforderlich, um ein zuverlässiges System sowie eine EMV-Charakterisierung sicherzustellen. In diesem Artikel werden einige wichtige Konzepte für das Systemtiming und Kommunikationskabel vorgestellt. liefert wichtige Leistungsindikatoren, einschließlich Takt- und Datenverteilung und Kabeltreiberfähigkeit; und demonstriert die Vorteile für industrielle Anwendungen mit RS-485-Transceivern der nächsten Generation.

Timing-Leistung

Wenn man eine zuverlässige Datenübertragung mit hohen Datenraten über lange Kabellängen in Betracht zieht, werden Timing-Performance-Konzepte wie Jitter und Skew – oft in Verbindung mit Low Voltage Differential Signaling (LVDS) – für RS-485 wichtig. Jitter und Skew, die sowohl vom RS-485-Transceiver als auch vom Systemkabel hinzugefügt werden, müssen untersucht werden.

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Abbildung 1. EMV, Datenrate und Kabellänge für RS-485. (Quelle:Analog Devices)

Jitter und Schiefe

Jitter kann als Zeitintervallfehler quantifiziert werden, insbesondere die Differenz zwischen der erwarteten Ankunftszeit eines Signalübergangs und dem Zeitpunkt, an dem dieser Übergang in der Praxis eintrifft. Innerhalb einer Kommunikationsverbindung gibt es verschiedene Faktoren, die zu Jitter beitragen. Jeder Beitragende kann grob als zufällig oder deterministisch beschrieben werden. Zufälliger Jitter kann anhand seiner Gaußschen Verteilung identifiziert werden und stammt von thermischem Rauschen und Breitband-Schrotrauschen innerhalb eines Halbleiters. Deterministischer Jitter resultiert aus Quellen innerhalb des Kommunikationssystems; zum Beispiel Tastverhältnisverzerrung, Übersprechen, periodische externe Rauschquellen oder Intersymbolinterferenz. In Kommunikationssystemen, die den RS-485-Standard verwenden, liegen die Datenraten unter 100 MHz, wo diese deterministischen Jitter-Effekte über zufällige Effekte dominieren.

Der Spitze-zu-Spitze-Jitter-Wert ist ein nützliches Maß für den Gesamtsystem-Jitter, der aus deterministischen Quellen resultiert. Spitze-zu-Spitze-Jitter kann im Zeitbereich untersucht werden, indem eine große Anzahl von Signalübergängen auf derselben Anzeige überlagert wird (allgemein bekannt als Augendiagramm). Dies kann auf einem Oszilloskop-Display mit unendlicher Persistenz oder mit der integrierten Jitter-Zerlegungssoftware eines Oszilloskops erreicht werden, wie in Abbildung 2 gezeigt. ²

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Abbildung 2. Zeitintervallfehler, Jitter und Auge. (Quelle:Analog Devices)

Die Breite der überlagerten Übergänge ist der Spitze-zu-Spitze-Jitter, wobei der offene Bereich dazwischen als Auge bezeichnet wird. Dieses Auge ist der Bereich, der für die Abtastung durch den empfangenden Knoten am anderen Ende eines langen RS-485-Kabels verfügbar ist. Eine größere Augenbreite bietet dem empfangenden Knoten ein breiteres Fenster zum Abtasten und verringert das Risiko, ein Bit falsch zu empfangen. Das verfügbare Auge wird hauptsächlich durch deterministische Jitterbeiträge sowohl des RS-485-Treibers und -Empfängers als auch des Verbindungskabels beeinflusst.

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Abbildung 3. Hauptfaktoren für Jitter in RS-485-Kommunikationsnetzwerken. (Quelle:Analog Devices)

Abbildung 3 zeigt die verschiedenen Quellen von Jitter in einem Kommunikationsnetzwerk. In RS-485-basierten Kommunikationssystemen sind zwei Schlüsselfaktoren für die Timing-Leistung der Transceiver-Impulsversatz und die Intersymbol-Interferenz. Pulsversatz, auch bekannt als Pulsbreitenverzerrung oder Arbeitszyklusverzerrung, ist eine Form von deterministischem Jitter, der von den Transceivern an den Sende- und Empfangsknoten eingeführt wird. Pulsversatz ist definiert als der Unterschied in der Ausbreitungsverzögerung zwischen den steigenden und fallenden Flanken eines Signals. Bei der differentiellen Kommunikation erzeugt dieser Versatz einen asymmetrischen Crossover-Punkt und eine Fehlanpassung zwischen der Dauer der übertragenen 0s und 1s. In einem Taktverteilungssystem manifestiert sich ein übermäßiger Impulsversatz als eine Verzerrung des Tastverhältnisses des übertragenen Takts. In einem Datenverteilungssystem erhöht diese Asymmetrie den im Augendiagramm beobachteten Spitze-zu-Spitze-Jitter. In beiden Fällen wirkt sich ein übermäßiger Impulsversatz negativ auf die über RS-485 übertragenen Signale aus und verringert sowohl das verfügbare Abtastfenster als auch die Gesamtsystemleistung.

Intersymbolinterferenz (ISI) tritt auf, wenn die Ankunftszeit einer Signalflanke durch das Datenmuster beeinflusst wird, das dieser Flanke vorausgegangen ist. Intersymbol-Interferenzeffekte treten bei Anwendungen mit längeren Kabelverbindungen auf, was ISI zu einem wichtigen Beitrag in RS-485-Netzwerken macht. Die längere Verbindung erzeugt eine RC-Zeitkonstante, bei der die Kabelkapazität am Ende einer einzelnen Bitperiode nicht vollständig aufgeladen ist. Bei Anwendungen, bei denen die übertragenen Daten nur aus einem Takt bestehen, ist diese Form der Intersymbolinterferenz nicht vorhanden. Intersymbolstörungen können auch durch Impedanzfehlanpassungen auf der Kabelübertragungsleitung, durch Leitungsstiche oder unsachgemäße Verwendung von Abschlusswiderständen verursacht werden. RS-485-Transceiver mit hoher Ausgangstreiberstärke tragen im Allgemeinen dazu bei, ISI-Effekte zu minimieren, da sie weniger Zeit benötigen, um die Lastkapazität des RS-485-Kabels aufzuladen.

Der Prozentsatz des tolerierbaren Spitze-zu-Spitze-Jitters ist stark anwendungsabhängig, und im Allgemeinen werden 10 % Jitter verwendet, um die Kombination von RS-485-Transceiver und Kabelleistung zu bewerten. Eine Kombination aus übermäßigem Jitter und Versatz beeinträchtigt die Abtastfähigkeit des empfangenden RS-485-Transceivers und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Kommunikationsfehlern. In ordnungsgemäß abgeschlossenen Übertragungsnetzwerken führt die Wahl eines Transceivers, der optimiert ist, um Transceiver-Impulsversatz und Intersymbol-Interferenzeffekte zu minimieren, zu einer zuverlässigeren, fehlerfreien Kommunikationsverbindung.

RS-485-Transceiver-Design und Kabeleffekte

Der TIA-485-A/EIA-485-A RS-485-Standard ³ bietet Spezifikationen für das Design und den Betriebsbereich von RS-485-Sendern und -Empfängern, einschließlich Spannungsausgangsdifferenzial (VOD), Kurzschlusseigenschaften, Gleichtaktbelastung sowie Eingangsspannungsschwellen und -bereiche. Die RS-485-Timing-Performance, einschließlich Skew und Jitter, ist im TIA-485-A/EIA-485-A-Standard nicht spezifiziert und wird von IC-Anbietern mit Produktdatenblattspezifikationen optimiert.

Andere Standards, wie TIA-568-B.2/EIA-568-B.2, Telekommunikationsstandard für Twisted-Pair-Verkabelung ⁴ liefern Hintergrund für die Auswirkungen von Kabel-AC und DC auf die RS-485-Signalqualität. Diese Norm enthält Überlegungen und Testverfahren für Jitter-, Skew- und andere Timing-Messungen mit festgelegten Leistungsgrenzen; der maximal zulässige Kabelversatz der Kategorie 5e beträgt beispielsweise 45 ns pro 100 m. Lesen Sie Enhanced RS-485 Performance für weitere Informationen über den TIA-568-B.2/EIA-568-B.2-Standard und die Folgen der Verwendung nicht idealer Kabel auf die Systemleistung.

Während die verfügbaren Standards und Produktdatenblätter eine gute Quelle für nützliche Informationen sind, erfordert jede aussagekräftige Charakterisierung der System-Timing-Leistung die Messung eines RS-485-Transceivers an einem langen Kabel.

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Abbildung 4. ADM3065E typische Takt-Jitter-Leistung. (Quelle:Analog Devices)

Mit RS-485 schneller und weiter kommunizieren

RS-475-Transceiver der nächsten Generation bieten eine verbesserte Leistung, um die Anforderungen von Anwendungen zu erfüllen, die Standards wie TIA-485-A/EIA-485-A verwenden, die keinen Skew und Jitter definieren. RS0485-Transceiver wie der ADM3065E von Analog Devices bieten beispielsweise eine extrem niedrige Sender- und Empfänger-Skew-Leistung. Dadurch können Systeme die Übertragung einer Präzisionsuhr unterstützen, die häufig in Motorcodierungsstandards wie EnDat 2.2 enthalten ist. ⁵ Wie in den Abbildungen 4 und 5 gezeigt, zeigen Systeme weniger als 5 % deterministischen Jitter über typische Kabellängen, die in Motorsteuerungsanwendungen angetroffen werden. Der breite Versorgungsbereich des Transceivers bedeutet, dass diese Timing-Leistung für Anwendungen verfügbar ist, die entweder eine 3,3-V- oder 5-V-Transceiver-Stromversorgung benötigen.

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Abbildung 5. ADM3065E-Empfangsaugendiagramm:25-MHz-Takt über 100 m Kabel verteilt. (Quelle:Analog Devices)

Neben einer überragenden Taktverteilung ermöglicht die verbesserte Timing-Leistung auch eine zuverlässige Datenverteilung mit Hochgeschwindigkeitsausgaben und minimalem zusätzlichen Jitter. Abbildung 6 zeigt, dass durch die Verwendung eines verbesserten Transceivers die Timing-Beschränkungen, die typischerweise für die RS-485-Datenkommunikation angegeben werden, stark gelockert werden können. Standard-RS-485-Transceiver werden normalerweise für einen Betrieb mit 10 % oder weniger Jitter angeboten. Der ADM3065E kann mit mehr als 20 Mbit/s auf bis zu 100 m Kabel arbeiten und dennoch nur 10 % Jitter am empfangenden Knoten aufrechterhalten. Dieser geringe Jitter reduziert das Risiko einer falschen Abtastung durch den empfangenden Datenknoten und führt zu einer Zuverlässigkeit der Übertragung, die bisher mit typischen RS-485-Transceivern nicht möglich war. In Anwendungen, bei denen der empfangende Knoten einen Jitter von bis zu 20 % tolerieren kann, sind Datenraten von bis zu 35 Mbit/s über 100 m Kabelwege erreichbar.

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Abbildung 6. ADM3065E empfängt Datenknoten überragende Jitter-Leistung. (Quelle:Analog Devices)

Für jedes mit dem EnDat 2.2-Encoder-Protokoll übertragene Paket werden die Daten synchron mit fallenden Taktflanken übertragen. Abbildung 7 zeigt, dass das/die Startbit(s) die Datenübertragung vom Encoder zurück zum Master-Controller nach der anfänglichen Berechnung der absoluten Position (TCAL) beginnt. Die nachfolgenden Fehlerbits (F1, F2) zeigen an, wenn eine Fehlfunktion des Encoders zu falschen Positionswerten führen kann. Der Encoder sendet dann einen absoluten Positionswert, beginnend mit LS, mit nachfolgenden Daten. Die Integrität von Takt- und Datensignalen ist entscheidend für eine erfolgreiche Positions- und Fehlersignalisierung über lange Kabelwege, wobei EnDat 2.2 einen Jitter von maximal 10 % spezifiziert. EnDat 2.2 spezifiziert den maximalen Betrieb bei 16 MHz Taktrate über 20 m Kabel. Abbildung 4 zeigt, dass diese Anforderungen mit nur 5 % Takt-Jitter erfüllt werden können, und Abbildung 6 zeigt, dass die Jitter-Anforderungen für die Datenübertragung erfüllt werden, während dies bei Standard-RS-485-Transceivern nicht der Fall ist. Dies ist wichtig, da die überlegene Timing-Leistung gegenüber Kabeln gewährleistet, dass Systemdesigner über die notwendigen Informationen verfügen, um ein Design zu ermöglichen, das erfolgreich die EnDat 2.2-Spezifikation erfüllt.

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Abbildung 7. EnDat 2.2 Physical Layer und Protokoll mit Takt-/Datensynchronisation (angepasste Diagramme von EnDat 2.2). (Quelle:Analog Devices)

Bessere Zuverlässigkeit durch längere Kabel

Der TIA-485-A/EIA-485-A RS-485-Standard ³ erfordert konforme RS-485-Treiber, um eine Differenzspannungsamplitude VOD von mindestens 1,5 V in einem voll belasteten Netzwerk zu erzeugen. Dieser 1,5 VOD ermöglicht 1,3 V Gleichspannungsdämpfung über lange Kabellängen, wobei RS-485-Empfänger für den Betrieb mit mindestens 200 mV Eingangsdifferenzspannung spezifiziert sind. Mit einem Transceiver, der eine VOD von mindestens 2,1 V ausgibt, wenn er mit 5 V versorgt wird, können Designer die Anforderungen der RS-485-Spezifikation übertreffen.

Ein voll belastetes RS-485-Netzwerk entspricht einer 54--Differenzlast, die einen doppelt terminierten Bus aus zwei 120--Widerständen mit weiteren 750 Ω simuliert, die 32 angeschlossenen Geräten mit 1 Einheitslast oder 12 kΩ entsprechen. Der ADM3065E verfügt über eine proprietäre Ausgangsarchitektur, um den VOD zu maximieren und gleichzeitig den erforderlichen Gleichtaktspannungsbereich zu erfüllen und die Anforderungen von TIA-485-A/EIA-485-A zu übertreffen. Abbildung 8 zeigt, wie der Transceiver die Antriebsanforderungen des RS-485-Standards um>210% übertrifft, wenn er über eine 3,3-V-Versorgungsschiene versorgt wird, oder um>300%, wenn er über eine 5-V-Versorgungsschiene versorgt wird. Dadurch können Systeme mit mehr entfernten Knoten und mit mehr Rauschabstand weiter kommunizieren als mit normalen RS-485-Transceivern.

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Abbildung 8. Der ADM3065E übertrifft die RS-485-Antriebsanforderungen in einem breiten Versorgungsbereich. (Quelle:Analog Devices)

Abbildung 9 veranschaulicht diesen Punkt weiter in einer typischen Anwendung über 1000 m Kabel. Bei der Kommunikation über ein Standard-AWG-24-Kabel ist ein verbesserter Transceiver 30 % besser als ein Standard-RS-485-Transceiver – mit 30 % mehr Rauschabstand am empfangenden Knoten oder einer 30 % höheren maximalen Kabellänge bei niedrigen Datenraten. Diese Leistung eignet sich gut für drahtlose Infrastrukturanwendungen, bei denen sich das RS-485-Kabel über mehrere hundert Meter erstreckt.

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Abbildung 9. ADM3065E liefert ein hervorragendes Differenzsignal für extrem lange Distanzen. (Quelle:Analog Devices)

EMV-Schutz und Störfestigkeit

Die RS-485-Signalisierung ist symmetrisch, differentiell und von Natur aus rauschunempfindlich. Das Systemrauschen koppelt gleichmäßig an jeden Draht in einem RS-485-Twisted-Pair-Kabel. Bei einer Twisted-Pair-Verkabelung fließen die induzierten Störströme in entgegengesetzte Richtungen, und auf den RS-485-Bus eingekoppelte elektromagnetische Felder heben sich gegenseitig auf. Dies reduziert die elektromagnetische Anfälligkeit des Systems. Darüber hinaus ermöglicht eine größere Treiberstärke ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in der Kommunikation. Über lange Kabelstrecken, wie Hunderte von Metern zwischen Boden und Antenne bei drahtlosen Basisstationen, gewährleistet ein verbessertes SNR sowie eine ausgezeichnete Signalintegrität eine genaue und zuverlässige Neigungs-/Positionssteuerung der Antennen.

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Abbildung 10. Die Kabellängen der drahtlosen Infrastruktur können sich über Hunderte von Metern erstrecken. (Quelle:Analog Devices)

Wie in Abbildung 1 erwähnt, ist EMV-Schutz für RS-485-Transceiver erforderlich, die über benachbarte Anschlüsse und Kabel direkt mit der Außenwelt verbunden sind. ESD an den freiliegenden RS-485-Anschlüssen und der Verkabelung des Encoders zum Motorantrieb ist beispielsweise eine häufige Systemgefahr. Die Norm IEC 61800-3 auf Systemebene in Bezug auf EMV-Störfestigkeitsanforderungen für elektrische Leistungsantriebssysteme mit einstellbarer Drehzahl erfordert einen ESD-Schutz von mindestens ±4 kV Kontakt/±8 kV Luft IEC 61000-4-2. Verbesserte Transceiver wie der ADM3065E übertreffen diese Anforderung mit ±12 kV Kontakt/±12 kV Luft IEC 61000-4-2 ESD-Schutz.

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Abbildung 11. Komplette 25-Mbit/s-Signal- und stromisolierte RS-485-Lösung mit ESD, EFT und Überspannungsschutz. (Quelle:Analog Devices)

Für drahtlose Infrastrukturanwendungen ist ein verbesserter EMV-Schutz erforderlich, um vor schädlichen Blitzüberspannungsereignissen zu schützen. Das Hinzufügen eines SM712 TVS und zweier 10-Ω-Koordinierungswiderstände zu den Transceiver-Eingängen bietet verbesserten EMV-Schutz – mit bis zu ±30 kV 61000-4-2 ESD-Schutz und ±1 kV IEC 61000-4-5 Überspannungsschutz.

Um die Störfestigkeit für elektrisch raue Motorsteuerungen, Prozessautomatisierung und drahtlose Infrastrukturanwendungen zu erhöhen, kann eine galvanische Trennung hinzugefügt werden. Der ADM3065E kann mit dem i . von Analog Devices um eine galvanische Trennung mit verstärkter Isolierung und 5 kV rms transienter Spannungsfestigkeit erweitert werden Koppler ^® und iso Power ^® Technologie. Der ADuM231D bietet die erforderlichen drei Kanäle mit 5 kV RMS-Signalisolierung mit präziser Timing-Leistung, die einen robusten Betrieb mit Raten von bis zu 25 Mbit/s ermöglicht. Der isolierte DC/DC-Wandler ADuM6028 liefert die erforderliche isolierte Leistung mit einer Belastbarkeit von 5 kV rms. Zwei Ferritperlen werden verwendet, um EMV-Konformitätsstandards wie EN 55022 Klasse B/CISPR 22 problemlos zu erfüllen, was zu einer kompakten isolierten DC-zu-DC-Lösung im Formfaktor 6 mm × 7,5 mm führt.

RS-485-Transceiver der nächsten Generation übertreffen die Industriestandards und ermöglichen eine weitergehende und schnellere Kommunikation im Vergleich zu Standard-RS-485-Geräten. Bei 10 % Jitter gemäß EnDat 2.2 ⁵ , Systeme können mit 16 MHz Taktrate über maximal 20 m Kabel betrieben werden, wobei Standard-RS-485 Schwierigkeiten hat, diese Anforderung zu erfüllen. Übertrifft die RS-485-Bus-Treiberanforderungen um bis zu 300 % und bietet eine bessere Zuverlässigkeit und mehr Rauschabstand über längere Kabel. Die Störfestigkeit kann durch Hinzufügen von i . verbessert werden Kopplerisolation, einschließlich des Signalisolators ADuM231D und der branchenweit kleinsten isolierten Stromversorgungslösung, dem ADuM6028.

Referenzen

¹ „PROFINET- und PROFIBUS-Knotenzahl überstieg 2018 87 Millionen.“ Profibus-Gruppe, Mai 2019.

² Conal Watterson. „LVDS- und M-LVDS-Schaltungsimplementierungsleitfaden.“ Analog Devices, Inc., März 2013.

³ „TIA/EIA-485-A, Elektrische Eigenschaften von Generatoren und Empfängern zur Verwendung in symmetrischen digitalen Mehrpunktsystemen.“ IHS Markit Inc., März 1998.

⁴ „TIA/EIA-568-B.2, Standard für Telekommunikationsverkabelung für gewerbliche Gebäude – Teil 2:Komponenten für symmetrische Twisted-Pair-Verkabelung.“ Verband der Telekommunikationsindustrie, Mai 2001.

⁵ „EnDat 2.2 – Bidirektionale Schnittstelle für Positionsgeber.“ Heidenhain, September 2017.