一、DP/FMS(RS 485)的物理层(第一层)
对于屏蔽双绞电缆的基本类型来说,PROFIBUS的第1层实现对称的数据传输,符合EIA RS 485【8】标准(也称为H2)。一个总线段内的导线是屏蔽双绞电缆,段的两端各有一个终端器(见图1)。传输速率从9.6 k bit/sec到12M bit/sec可选,所选用的波特率适用于连接到总线(段)上的所有设备。
传输程序
用于PROFIBUS RS 485的传输程序是以半双工、异步、无间隙同步为基础的。数据的发送用NRZ(不归零)编码,即1个字符帧为11位(bit)见图2 。当发送位(bit)时,由二进制“0”到“1”转换期间的信号形状不改变。
在传输期间,二进制“1”对应于RXD/TXD-P(Receive/Transmit-Data-P)线上的正电位,而在RXD/TXD-N线上则相反。各报文间的空闲(idle)状态对应于二进制“1”信号(见图3)。
在专用文献中,两根PROFIBUS数据线也常称之谓A线和B线。A线对应于RXD/TXD-N信号,而B线则对应于R×D/T×D-P信号。
图1 RS485-总线段的结构
图2 PROFIBUS UART字符帧
图3 用NRZ传输时的信号形状
总线导线
对于PROFIBUS而言,最大允许的总线长度,亦称为段长度,取决于所选用的传输速率(见表1)。在一个总线段中最多可以运行32个站。
表1 基于波特率的最大段长度
表1 中指出的最大总线段长度系指PROFIBUS标准中电缆类型A的规定。
在表2中列出了A型电缆的有关特性。
表2 PROFIBUS RS 485 A型电缆的规格
总线连接
国际性的PROFIBUS标准EN 50170推荐使用9针D型连接器(表3)用于总线站与总线的相互连接。D型连接器的插座与总线站相连接,而D型连接器的插头与总线电缆相连接。
用黑体字标出的信号是强制性的,它们必须可供使用。
表3 9针D型连接器的针脚分配
总线终端器
根据EIA RS 485标准,在数据线A和B的两端均加接总线终端器。PROFIBUS的总线终端器包含一个下拉电阻(与数据基准电位DGND相连接)和一个上拉电阻(与供电正电压VP相连接)(见图1)。当在总线上没有站发送数据时,也就说在两个报文之间总线处于空闲状态时,这两个电阻确保在总线上有一个确定的空闲电位。几乎在所有标准的PROFIBUS总线连接器上都组合了所需要的总线终端器,而且可以由跳接器或开关来启动。
当总线系统运行的传输速率大于1,500K bit/s时,由于所连接的站的电容性负载而引起导线反射,因此必须使用附加有轴向电感的总线连接插头(见图4)。
图4 传输速率>1500K bit/s时的总线插头连接器和总线终端器的结构
二、DP/FMS(光纤电缆)的物理理(第1层)
PROFIBUS第1层的另一种类型是以PNO(Profibus用户组织)的导则“用于PROFIBUS的光纤传输技术,版本1.1,1993年7月版”【9】为基础的,它通过光纤导体中光的传输来传送数据。光纤电缆允许PROFIBUS系统站之间的距离最大到15公里。光纤电缆对电磁干扰不敏感并能确保总线站之间的电隔离。近年来,由于光纤的连接技术已大大简化,因此这种传输技术已经普遍地用于现场设备的数据通信,特别是用于塑料光纤的简单单工连接器的使用成为这一发展的重要部分。
总线导线
用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆可用作传输介质。根据所用导线的类型,目前玻璃光纤能处理的连接距离达到15公里,而塑料光纤可达到80米。
总线连接
为了把总线站连接到光纤导体,有几种连接技术可用以使用。
•OLM技术(Optical Iink Module)
类似于RS 485的中继器,OML(光链路模块)有两个功能隔离的电气通道,并根据不同的模型占有一个或两个光通道。OLM通过一根RS 485导线与各个总线站或总线段相连接(见图5)。
图5 使用OLM技术的总线组态实例
•OLP技术(Optical Link Plug)
OLP(光链路插头)可将很简单的被动总线站(从站)用一个单光纤电缆环连接。OLP直接插入总线站的9针D型连接器。OLP由总线站供电而不需要它们自备电源。但总线站的RS 485接口的+5V电源必须保证能提供至少80mA的电流(见图6)。
主动总线站(主站)与OLP环连接总需要一个光链路模块(OLM)。
图6 使用OLP技术的单光纤环路
•集成的光纤电缆连接
使用集成在设备中的光纤接口将PROFIBUS节点与光纤电缆直接连接。
三、PA的物理层(第1层)
PROFIBUS-PA采用符合IEC 1158-2标准的传输技术。这种技术确保本质安全并通过总线直接给现场设备供电。数据传输使用非直流传输的位同步、曼彻斯特编码线协议(也称H1编码)。用曼彻斯特编码传输数据时,信号沿从0变到1时发送二进制“0”,信号沿从1变到0时发送二进制“1”。数据的发送采用对总线系统的基本电流IB调节+/-9mA的方法来实现(见图7)。传输速率为31.25 K bit/s。传输介质是屏蔽/非屏蔽双绞线。总线段的两端用一个无源的RC线终端器来终止(见图8),在一个PA总线段上最多可连接32个站。最大的总线段长度在很大程度上取决于供电装置、导线类型和所连接的站的电流消耗。
总线导线
PROFIBUS-PA的传输介质采用2芯电缆,它的特性不是标准的,也未作规定。但总线电缆类型的特性决定了总线的最大扩展、可连接的总线站数和对电磁干扰的灵敏度。
图7 用电流调节法实现PROFIBUS-PA的数据传输(曼彻斯特Ⅱ-代码)