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RS-485-basierte Feldbusse wie Profibus oder EnDat 2.2 erfodern leistungsfähige Transceiver

Schneller zu RS-485-basierten Feldbussen
Universelle Transceiver von Analog-Devices

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RS-485-basierte Feldbusse wie Profibus oder die digitale Drehgeberschnittstelle EnDat 2.2 erfordern leistungsfähige Transceiver-Bausteine. Der folgende Beitrag zeigt die wichtigen Leistungsindikatoren, einschließlich Zeit- und Datenverteilung und erläutert die Eigenschaften der Transceiver-Bausteine aDM3065E/ADM3066E RS-485 der nächsten Generation von Analog Devices. RS-485-Transceiver mit hoher Treiberleistung sorgen für eine zuverlässige und präzise Übertragung der Daten.

Neil Quinn, Produktanwendungsingenieur, und Richard Anslow, Systemapplications Engineer, Analog Devices in Limerick, Irland

Inhaltsverzeichnis

1. Neigungs-/Positionssteuerung von Antennen
2. Timing-Performance
3. Jitter-Wert von Peak-to-Peak
4. Intersymbol-Interferenzen (ISI) in längeren Kabelverbindungen
5. RS-485-Transceiver-Design und Kabeleffekte
6. Schnellere und weitere Kommunikation mit RS-485
7. Zuverlässig auch bei langen Leitungen
8. Schutz vor EMV-Störungen

Branchenexperten wie Procentec zeigen ein stetiges Wachstum bei der Einführung der RS-485-basierten Feldbustechnologie Profibus sowie ein schnelles Wachstum bei Profinet. Im Jahr 2018 waren weltweit 61 Millionen Profibus-Feldbusknoten installiert, wobei die Profibus-Prozessautomatisierung (PA) im Vergleich zum Vorjahr um sieben Prozent anstieg. Die installierte Basis von Profinet liegt bei 26 Millionen Knoten, wobei allein im Jahr 2018 etwa 5,1 Millionen Geräte installiert wurden.

Diese Zahlen verdeutlichen, dass das stetige Wachstum bei der Einführung von RS-485-Feldbusen und die Einführung von Industrie-4.0-Konzepten die Bereitstellung intelligenter vernetzter Fabriken erfordert. Mit optimierten Feldbustechnologien werden intelligente Systeme möglich. Solche Feldbustechnologien müssen EMV-robust sein und eine zuverlässige Datenübertragung ermöglichen. Eine unzuverlässige Datenübertragung reduziert die Gesamtleistung des Systems. In Motion-Anwendungen wird der Feldbus zur Regelung von Ein- oder Mehrachssystemen eingesetzt. Dabei sind hohe Datenraten und lange Kabel üblich. Ist die Positionskontrolle unzuverlässig, folgen aufgrund der Leistungseinbußen ein geringerer Maschinendurchsatz und eine geringere Produktivität.

Neigungs-/Positionssteuerung von Antennen

In drahtlosen Infrastrukturen wird der Feldbus beispielsweise für die Neigungs-/Positionssteuerung von Antennen verwendet, bei denen eine genaue Datenübertragung von entscheidender Bedeutung ist. Sowohl in Anwendungen für die Bewegungssteuerung als auch bei drahtlosen Infrastrukturanwendungen sind unterschiedliche Ebenen des EMV-Schutzes erforderlich. Motion-Control-Anwendungen arbeiten in der Regel in elektromagnetisch belasteten Umgebungen, was zu Datenfehlern führen kann. Außerdem muss die drahtlose Infrastruktur vor schädlichen Einflüssen durch Blitzeinschläge in exponierten Umgebungen geschützt werden.

Für diese anspruchsvollen Anwendungen ist eine sorgfältige Prüfung der RS-485-Transceiver-Timing-Performance einschließlich der Übertragung über ein Kabel erforderlich, um ein zuverlässiges System sowie eine aussagefähige EMV-Charakterisierung zu gewährleisten. Im Folgenden werden wichtige System-Timing- und Kommunikationskabelkonzepte vorgestellt. Der Beitrag zeigt wichtige Leistungsindikatoren, einschließlich Zeit- und Datenverteilung und erläutert die Eigenschaften der Transceiver aDM3065E/ADM3066E RS-485 der nächsten Generation.

Timing-Performance

Bei der Prüfung einer zuverlässigen Datenübertragung mit hohen Datenraten über lange Kabel werden Timing-Performance-Konzepte wie Jitter und Signalverzerrungen – oft verbunden mit Niederspannungsdifferenzsignalisierung (LVDS) – für RS-485 wichtig. Jitter und Verzerrungen, die sowohl im RS-485-Transceiver als auch im Kabel auftreten, müssen genau untersucht und analysiert werden.

Jitter kann als Zeitintervallfehler quantifiziert werden; die Differenz zwischen der erwarteten Ankunftszeit eines Signals und dem Zeitpunkt, zu dem dieser in der Praxis eintrifft. Innerhalb einer Kommunikationsverbindung gibt es verschiedene Verursacher von Jitter. Zufällige Jitter können aus der Gaußschen-Verteilung abgeleitet werden und stammen vom thermischen Rauschen und dem breitbandigen Rauschen innerhalb eines Halbleiters. Deterministisches Jitter resultiert aus Quellen innerhalb des Kommunikationssystems; Zyklusverzerrungen, Übersprechen oder periodisch auftretenden externen Rauschquellen. In Kommunikationssystemen, die auf dem RS-485-Standard basieren, liegen die Datenraten unter 100 Megahertz, wo diese deterministischen Jitter gegenüber zufälligen Effekten dominieren.

Jitter-Wert von Peak-to-Peak

Der Jitter-Wert von Peak-to-Peak ist ein hilfreiches Maß für den gesamten Systemjitter, der aus deterministischen Quellen resultiert. Peak-to-Peak-Jitter kann im Zeitbereich untersucht werden, indem eine große Anzahl von Signalübergängen auf demselben Display überlagert wird (Augendiagramm). Die Breite der überlagerten Übergänge ist der Peak-to-Peak-Jitter, wobei der offene Bereich dazwischen als Auge bezeichnet wird. Das ist der Bereich, der für die Probenahme durch den empfangenden Knoten am hinteren Ende eines langen RS-485-Kabels zur Verfügung steht. Eine größere Augenbreite bietet dem empfangenden Knoten ein breiteres Fenster für die Messung und reduziert das Risiko, dass ein Bit falsch empfangen wird. Das verfügbare Auge wird in erster Linie von deterministischen Jitter-Beiträgen sowohl des RS-485-Treibers und -Empfängers als auch des Verbindungskabels beeinflusst.

In RS-485-basierten Kommunikationssystemen sind zwei wesentliche Faktoren für die Timing-Performance Transceiver-Pulsverzerrung sowie Interferenzen. Pulsverzerrung, auch bekannt als Pulsweitenverzerrung oder Betriebszyklusverzerrung, ist eine Form des deterministischen Jitters, der von den Transceivern an den Sende- und Empfangsknoten verursacht wird. Die Pulsneigung ist definiert als die Differenz in der Ausbreitungsverzögerung zwischen den steigenden und fallenden Flanken eines Signals. In der differentiellen Kommunikation erzeugt diese Verzerrung einen asymmetrischen Crossover-Punkt und eine Diskrepanz zwischen der Dauer der übertragenen null und einer Sekunde. Bei der Verteilung der Zeitbasis manifestiert sich eine übermäßige Pulsverzerrung im Betriebszyklus der übertragenen Clock. Bei der Datenübertragung steigert diese Asymmetrie den im Augendiagramm beobachteten Spitze-zu-Spitze-Jitter. In beiden Fällen wirkt sich eine übermäßige Pulsneigung negativ auf die über RS-485 übertragenen Signale aus und reduziert sowohl das verfügbare Abtastfenster als auch die Gesamtleistung des Systems.

Intersymbol-Interferenzen (ISI) in längeren Kabelverbindungen

Intersymbol-Interferenzen (ISI) treten auf, wenn die Ankunftszeit einer Signalflanke durch das Datenmuster beeinflusst wird, das dieser Flanke vorgegangen ist. Diese Interferenzen treten besonders in Anwendungen mit längeren Kabelverbindungen auf, was ISI zu einem wichtigen Faktor in RS-485-Netzwerken macht. Die längere Verbindung erzeugt eine RC-Zeitkonstante, bei der die Kabelkapazität bis zum Ende eines einzelnen Bitzeitraums nicht vollständig aufgeladen wurde. In Anwendungen, in denen die übertragenen Daten nur aus einem Clock-Takt bestehen, ist diese Form der Intersymbolinterferenz nicht vorhanden. Intersymbol-Interferenzen können auch durch Impedanz-Inkongruenzen an der Kabelübertragungsleitung, durch offene Leitungsenden oder die unsachgemäße Verwendung von Abschlusswiderständen verursacht werden. RS-485-Transceiver mit hoher Treiberleistung tragen in der Regel dazu bei, ISI-Effekte zu minimieren, da sie weniger Zeit benötigen, um die Lastkapazität des RS-485-Kabels aufzuladen.

Die Anteile der einzelnen Jitter-Quellen sind von der Anwendung abhängig, nur mit definierten Werten ist es möglich, die Kombination von RS-485-Transceiver und Kabel zu vergleichen. Eine Kombination aus übermäßigem Jitter und Signalverzerrung beeinflusst die Abtasteigenschaften des empfangenden RS-485-Transceivers, was die Wahrscheinlichkeit von Kommunikationsfehlern erhöht. In ordnungsgemäß abgeschlossenen Netzen führt die Wahl eines auf die Applikation optimierten Transceivers zu einer zuverlässigeren und fehlerfreien Kommunikationsverbindung.

RS-485-Transceiver-Design und Kabeleffekte

Der TIA-485-A/EIA-485-A RS-485-Standard enthält Spezifikationen für die Auslegung und den Betrieb von RS-485-Sendern und -Empfängern, einschließlich Spannungsausgangsdifferenz (VOD), Kurzschlusseigenschaften, Common-Mode-Lade- sowie Eingangsspannungsschwellen und -bereiche. Die RS-485-Timing-Performance, einschließlich Signalverzerrung und Jitter, ist im TIA-485-A/EIA-485-A-Standard nicht angegeben und wird von den IC-Anbietern mit eigenen Spezifikationen angegeben.

Andere Normen, wie die TIA-568-B.2/EIA-568-B.2, Telekommunikationsstandard für Twisted-Pair-Verkabelungen, bieten Hintergrundinformationen für Kabel AC- und DC-Effekte auf die RS-485-Signalqualität. Dieser Standard bietet Überlegungen und Testverfahren für Jitter-, Verzerrung- und andere Timing-Messungen, wobei Leistungsgrenzen festgelegt sind. So beträgt die maximal zulässige Signalverzerrung durch Kabel der Kategorie 5e 45 ns pro 100 Meter. Der Anwendungshinweis AN-1399 von Analog Devices erläutert den TIA-568-B.2/EIA-568-B.2-Standard ausführlich und zeigt, wie eine unzureichend gestaltete Verkabelung die Systemleistung beeinflusst.

Schnellere und weitere Kommunikation mit RS-485

Der Transceiver ADM3065E RS-485 verfügt über eine geringe Sende- und Empfangsverzerrung, sodass die Komponenten ideal für die Übertragung von präzisen Clock- oder Zeitsignalen geeignet sind, so wie sie in Motion-Control-Anwendungen, beispielsweise gemäß des Standards EnDat 2.2, benötigt werden. Der ADM3065E zeigt weniger als fünf Prozent deterministischen Jitter über typische Kabellängen, die in Motorsteuerungsanwendungen auftreten. Die Performance eignet sich für Anwendungen, die entweder mit 3,3- oder 5 Volt Betriebsspannung arbeiten. Der ADM3065E kann mit mehr als 20 Megabit pro Sekunde auf bis zu 100 Meter Kabel betrieben werden und am empfangenden Knoten dabei nur zehn Prozent Jitter gewährleisten. Dieser niedrige Jitter-Wert reduziert das Risiko einer falschen Messung durch den empfangenden Datenknoten und führt zu einer Zuverlässigkeit der Übertragung, die bisher mit typischen RS-485-Transceivern nicht möglich war. In Anwendungen, in denen der empfangende Knoten bis zu 20 Prozent Jitter tolerieren kann, sind Datenraten von bis zu 35 Megabit pro Sekunde über 100 Meter Kabellänge erreichbar.

Aufgrund dieser Timing-Werte ist der Baustein ADM3065E ideal für die Entwicklung einer Kommunikationsschnittstelle von Drehgebern zur Motorsteuerung geeignet. Für jedes Datenpaket, das mit dem EnDat-2.2-Encoderprotokoll übertragen wird, werden die Daten synchron mit fallenden Taktflanken übertragen. Das Startbit(s) beginnt nach der anfänglichen Berechnung der absoluten Position (TCAL) mit der Datenübertragung vom Encoder zurück zum Master-Controller. Die nachfolgenden Fehlerbits (F1, F2) geben an, wann eine Fehlfunktion des Encoders zu falschen Positionswerten führen kann. Der Encoder überträgt dann einen absoluten Positionswert, beginnend mit LS, wobei die Daten folgen. Die Integrität von Takt- und Datensignalen ist entscheidend für eine erfolgreiche Positions- und Fehlersignalisierung über lange Kabel, wobei EnDat 2.2 einen maximalen Jitter von zehn Prozent angibt. EnDat 2.2 gibt den maximalen Betrieb bei 16 Megahertz Taktrate über 20 Meter Verkabelung an.

Die Charakterisierung der überragenden Timing-Leistung von ADM3065E-Transceivern über Kabel durch Analog Devices stellt sicher, dass Systemdesigner über die erforderlichen Informationen verfügen, um ein Design zu ermöglichen, das erfolgreich entwickelt wurde, um die EnDat 2.2-Spezifikation zu erfüllen.

Zuverlässig auch bei langen Leitungen

Der TIA-485-A/EIA-485-A-RS-485 Standard benötigt konforme RS-485-Treiber, um eine Differenzspannungsamplitude, VOD, von mindestens 1,5 Volt in einem ausgelasteten Netzwerk zu erzeugen. Diese 1,5 VOD ermöglicht 1,3 Volt Gleichspannungs-Dämpfung über lange Leitungen, wobei RS-485-Empfänger für den Betrieb mit mindestens 200 Megavolt Eingangsdifferenzspannung spezifiziert sind. Der ADM3065E wurde entwickelt, um einen VOD von mindestens 2,1 Volt auszugeben, wenn er mit fünf Volt betrieben wird und damit die RS-485-Spezifikationsanforderungen übertrifft.

Bei der Kommunikation über ein Standard-AWG-24-Kabel in einer typischen Anwendung über 1000 Meter Kabellänge ist der ADM3065E 30 Prozent besser als ein Standard-RS-485-Transceiver – mit einem um 30 Prozent höheren Rauschgewinn am Empfangsknoten oder einer 30-prozentigen Steigerung der maximalen Kabellänge bei niedrigen Datenraten. Diese Leistung eignet sich gut für drahtlose Infrastrukturanwendungen, bei denen das RS-485-Kabel mehrere hundert Meter übersteigt.

Schutz vor EMV-Störungen

Die RS-485-Signalübertragung ist symmetrisch, differentiell und von Natur aus unempfindlich gegenüber Störungen. Systemrauschen paart sich in einem RS-485-Twisted-Pair-Kabel gleichmäßig mit beiden Einzeladern. Die induzierten Störungen fließen in entgegengesetzte Richtung, und elektromagnetische Felder, die auf den RS-485-Bus einwirken, eliminieren ihre Wirkung gegenseitig. Dies reduziert die elektromagnetische Anfälligkeit des Systems. Darüber hinaus ermöglicht die verbesserte Treiberleistung des ADM3065E 2.1 Volt ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in der Kommunikation. Da der Einsatz von Steckverbindern beispielsweise bei der Verkabelung von Encoder und Motorantrieb eine potenzielle Quelle von Störungen ist, ist ein zusätzlicher EMV-Schutz des RS-485-Transceiver erforderlich. Die Norm IEC 61800-3 schreibt einen EMV-Schutz auf Systemebene vor. Der ADM3065E übertrifft diese Anforderung mit einem ESD-Schutz von 12 Kilovolt/ 12 Kilovolt Luft IEC 61000-4-2.

Für drahtlose Infrastrukturanwendungen ist ein weiter optimierter EMV-Schutz erforderlich, um Datenübertragung und Komponenten vor Blitzeischlägen zu schützen. Ein zusätzlicher SM712-TVS und zwei 10-Zoll-Koordinationswiderstände zu den ADM3065E-Eingängen bietet einen optimalen EMV-Schutz – mit bis zu 30 Kilovolt gemäß 61000-4-2 ESD-Schutz und ein Kilovolt IEC 61000-4-5 Überspannungsschutz.

Um die Störfestigkeit in rauen Industrieumgebungen bei der Motorsteuerung, in der Prozessautomation und in drahtlosen Infrastrukturanwendungen zu steigern, sollte eine galvanische Trennung realisiert werden. Der ADu231D bietet die erforderlichen drei Kanäle mit einer Isolation von fünf Kilovolt RMS und einem präzisen Timing, das einen zuverlässigen Betrieb mit Geschwindigkeiten von bis zu 25 Megabit pro Sekunde ermöglicht. Der DC/DC-Wandler ADuM6028 liefert die erforderliche Leistung mit einer Trennung von fünf Kilovolt RMS. (ge)


Weitere Details RS-485-basierten Feldbussen von Analog Devices

Kontakt:

Analog Devices GmbH
Otl-Aicher-Strasse 60-64
80807 Munich
Tel.: +49 89 76903-0
Website: www.analog.com

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