PROFIBUS信号诊断分析.doc

PROFIBUS信号诊断分析
 (2014-10-31 02:10:59)
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信号

profibus

干扰

通讯

波形
分类： 通讯

1.    特性阻抗
特性阻抗：又称“特征阻抗”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。在高频范围内，信号传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面，PROFIBUS中的屏蔽层）间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I，而如果信号的输出电平为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。
特性阻抗的测量单位为欧姆。在高频段频率不断提高时，特性阻抗会渐近于固定值。
例如同轴线将会是50或75欧姆；而双绞线(用于电话及网络通讯)将会是100欧姆(在高于1MHz时)。西门子PROFIBUS电缆的特性阻抗大约为150欧姆。

2.    信号反射
信号沿传输线向前传播时，每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗，这个阻抗可能是传输线本身的，也可能是中途或末端其他元件的。对于信号来说，它不会区分到底是什么，信号所感受到的只有阻抗。如果信号感受到的阻抗是恒定的，那么他就会正常向前传播，只要感受到的阻抗发生变化，不论是什么引起的（可能是中途遇到的电阻，电容，电感，过孔，PCB转角，接插件），信号都会发生反射。
那么有多少被反射回传输线的起点？衡量信号反射量的重要指标是反射系数，表示反射电压和原传输信号电压的比值。反射系数定义为： 。其中：Z1为变化前的阻抗，Z2为变化后的阻抗。假设PCB线条的特性阻抗为50欧姆，传输过程中遇到一个100欧姆的贴片电阻，暂时不考虑寄生电容电感的影响，把电阻看成理想的纯电阻，那么反射系数为：
，信号有1/3被反射回源端。如果传输信号的电压是3.3V电压，反射电压就是11V。
纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础，阻性负载的变化无非是以下四种情况：阻抗增加有限值、减小有限值、开路（阻抗变为无穷大）、短路（阻抗突然变为0）。
阻抗增加有限值：
反射电压上面的例子已经计算过了。这时，信号反射点处就会有两个电压成分，一部分是从源端传来的3.3V电压，另一部分是在反射电压1.1V，那么反射点处的电压为二者之和，即4.4V。
阻抗减小有限值：
仍按上面的例子，PCB线条的特性阻抗为50欧姆，如果遇到的电阻是30欧姆，则反射系数为 ，反射系数为负值，说明反射电压为负电压，值为-0.825V。此时反射点电压为3.3V+（-0.825V）=2.475V。
开路：
开路相当于阻抗无穷大，反射系数按公式计算为1。即反射电压3.3V。反射点处电压为6.6V。可见，在这种极端情况下，反射点处电压翻倍了。
短路：
短路时阻抗为0，电压一定为0。按公式计算反射系数为-1，说明反射电压为-3.3V，因此反射点电压为0。
计算非常简单，重要的是必须知道，由于反射现象的存在，信号传播路径中阻抗发生变化的点，其电压不再是原来传输的电压。这种反射电压会改变信号的波形，从而可能会引起信号完整性问题。这种感性的认识对研究信号完整性及设计电路板非常重要，必须在头脑中建立起这个概念。

3.    终端电阻
高频信号传输时，信号波长相对传输线较短，信号在传输线终端会形成反射波，干扰原信号，所以需要在传输线末端加终端电阻，使信号到达传输线末端后不反射。对于低频信号则不用。在长线信号传输时，一般为了避免信号的反射和回波，也需要在接收端接入终端匹配电阻。
其终端匹配电阻值取决于电缆的阻抗特性，与电缆的长度无关。RS-485/RS-422 一般采用双绞线（屏蔽或非屏蔽）连接，终端电阻一般介于100至140Ω之间，典型值为120Ω。在实际配置时，在电缆的两个终端节点上，即最近端和最远端，各接入一个终端电阻，而处于中间部分的节点则不能接入终端电阻，否则将导致通讯出错。
终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射。在通信过程中，有两种原因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。
一个正规的RS-485网络（比如MPI，DP）应使用终端电阻和偏置电阻。在网络连接线非常短、临时或实验室测试时也可以不使用终端和偏置电阻。
终端电阻：在线型网络两端（相距最远的两个通信端口上），并联在一对通信线上的电阻。根据传输线理论，终端电阻可以吸收网络上的反射波，有效地增强信号强度。两个终端电阻并联后的值应当基本等于传输线在通信频率上的特性阻抗。
偏置电阻：偏置电阻用于在电气情况复杂时确保A、B信号的相对关系，保证“0”、“1”信号的可靠性。

4.    屏蔽双绞线
使用屏蔽双绞线可以获得最好的抗干扰效果。首先由于带屏蔽层，大部分来自外界的干扰都被屏蔽层直接导入大地从而屏蔽。然后由于是双绞线结构，所有干扰被同步耦合到两根信号线上，由于接收器评估的是查分信号，因此可以减少干扰的同步耦合。

5.    DP终端阻抗的计算与作用
PROFIBUS-DP的终端电阻是三个电阻的组合，对于高频的通讯信号可以将其等效为一个171.6欧姆的电阻，这个阻值正好与DP线缆的特性阻抗值近似匹配，因此可以有效降低信号反射。虽然不能达到精确匹配，但是已经足够用于避免信号的反射。通讯信号到达终端电阻之后将消耗在电阻上。

终端电阻还有一个作用是在网络空闲的时候极化网络，当网络上没有信号传输的时候始终提供一个1.1V的电压。因此要保证网络两端的终端电阻始终供电。

如果一端的终端电阻电源丢失，那么R1和R3则会失效，这个时候空闲时网络上的电压只有0.63V，因为网络不再对称，相当于两个220欧姆的电阻并联，这种情况下网络的噪声极限降低，发射增加。

6.    总线上的信号
当网络上没有信号传输的时候，AB线的电压由终端器决定。A线对地电压大约为2V，B线对地电压大约为3V，B-A的差分信号大约为1.1V。
当激活发送“1”状态时，B线电压为4V，A线电压为1V，差分信号为B-A=3V。
当激活发送“0”状态时，B线电压为1V，A线电压为4V，差分信号为B-A=-3V。

7.    观察纵览图
通过纵览图我们可以直观地对比总线上站点的信号幅值，其中幅值较低的站点有可能是RS485驱动断路，或者是线缆过长，建议加装中继器进行改善。

同样，通过纵览图我们也可以看出接地参考点电压是否发生偏移，这种情况应该改善接地。

我们还可以通过纵览图观察是否出现总线冲突，正常情况下PROFIBUS协议在某一时刻只允许一个站点进行信息发送，如果某一时刻有多个站点同时进行发送，将会导致信号冲突，最终信号为单一信号的叠加，出现高达两倍幅值的尖峰。这种情况往往是由于站点的通讯速率设置不一致，或者站点地址冲突造成的，应该对组态信息进行检查。

8.    TBIT
TBIT的定义为传输一个数据位占用的时间，也可以理解为一个位信号的长度。

DP信号的边沿总是会有一些抖动，但是在1/2 TBIT之前信号会稳定。

如果线缆过长，则信号的边沿会变得圆滑。

如果圆滑的边沿在1/2 TBIT之前达到平稳，则不影响信号的接收，如果不能在1/2 TBIT之前达到平稳，则可能会影响信号的接收，这种情况建议加装中继器。

9.    电磁干扰
电磁干扰往往同时出现在AB线上，由于差分模式，大部分的电磁干扰可以消除。电磁干扰出现在B-A上面的情况很少出现，如果干扰的幅值足够强，信号的接收可能会被干扰。这种干扰通常出现在与变频器共同工作的场合，建议检查DP的屏蔽层接地，同时改善变频器的EMC，比如加装进线滤波器。

10.  信号的传播
信号传播的速度与导线的电磁机械等特性有关，PROFIBUS信号传播的速度大约为4.35ns/m，利用这个特性可以测量导线的长度或者干扰发生的位置。
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