隨著現代工業系統的發展,RS485總線已是用于工業系統中通信的最主要也是最普及的通信方式之一。Profibus現場總線的最高速率可12M，但通信距離很小。為擴大通信距離，需要實現傳輸的中繼。研究在一對雙絞線上傳輸12M速率的RS485信號，便是為實現12M速率的Profibus總線的傳輸中繼與傳輸轉換。

實現原理

Profibus總線采用一對RS485差分數字信號在一對雙絞線上傳輸雙向數據，兩個方向數據在雙絞線上是分時傳輸的，信號的傳輸方向在某一時間只能向一個方向傳輸，在另一時間可以向另外一個方向傳輸。

為Profibus總線的中繼原理是：中繼器(或其他傳輸設備)同時監視兩側的RS485總線，當有一方(這里簡稱A側，另一側則簡稱B側，以下同)總線有數據時，立即接收數據，如果B側的總線沒有使用，就將剛從A方接收的數據傳到B側端，并驅動B側的雙絞線;在這一過程中，如果A鍘的數據已停，總線上已沒有數據，又回到初始的雙向監視狀態。在信號從B向傳向A向的數據也是同樣的過程。

為此實現Profibus總線的中繼與傳輸，需要識別信號的傳輸方向、完成雙向數據的接收與轉發、接收雙絞線上差分電信號與驅動雙絞線以及完成傳輸的信號轉換等。

雙向控制

實現RS485信號傳輸的雙向識別的方法很多，對于低速的RS485信號傳輸，可以采用兩個異步串行接口單元，一個單元接收，另一個單元轉發。但當速率提高到12M時，完成這樣的功能的可實現單元就很少了，且價格都很昂貴。為此，我們應研究一種更為低成本的雙向數據流控制的實現方案。

結合現代同步傳輸理論，傳輸的本質信號的轉移，對一向RS485這樣的二值電平信號的傳輸就是信號電平及邊沿的轉移，為此，我們可以研究信號電平及邊沿的轉移特性，經期采用這樣的特性實現RS485信號的傳輸。

在同步信號傳輸中，為滿足信號的傳輸質量，要求信號的傳輸邊沿抖動特性符合一定的要求，通常要求瞬時抖動時間小于其數字單比特周期的1/16(比如電信網中的基群信號的傳輸瞬時抖動要求)。在異步數據通信中(比如CPU的串行接口或多種串品收發電路)，通常采用16倍的信號時鐘讀取異步數據，如果采用16次采樣的中間三次取得數據的值，則在接收信號時，一個有效的數據比特時間應最少是總周期的10/16，也就是說，允許接收端有單比特的6/16的時間抖動(這一結論的前提是16次采樣并取三次有效)，假定信號在傳輸過程中可能引起的超前與滯后為等概率，則采樣周期應小于傳輸數據周期的1/5，所以，要完成點對點的RS485雙向數據通信，若采用數字信號電平轉移的方式，最少需要采樣率為最高速率的5倍(這一結果仍是基于16倍采樣，中間三次取值的前提得出的)。為了能適應大多數據的接收器允許的誤差，滿足傳輸誤碼率的要求，通常要求傳信號的速率要高于12倍的最高信號比特率。

基于上述，要取得有效的12M數據，需要144M以上的采樣速率完成信號識別。

同時，在完成信號識別到處理信號的收發控制應在約6ns的時間。

為完成信號的驅動，需要知道何時數據結束，對于傳輸12M的Profibus總線數據，如何識別傳輸數據的結速是一個難題。為此，應建立專用的總線空閑標識，以決定何時可以同時監測兩側的數據。

總線接收與驅動

在實現Profibus總線雙向中繼傳輸時，信號的接收與驅動需要有特殊的要求，對于12M的信號，其周期約為80ns，為達到更高的精度要求，防止信號的崎變對傳輸影響，信號的上升沿與下降沿都要有時間上的要求，比如，要達到5-8個ns，否則對信號傳輸的誤碼率將產生嚴重的影響。這是一般的驅動器所做不到的。在接收端，對總線的快速響應時間是個重要指標，同樣要求接收信號引起的崎變要盡可能的小，并能達到傳輸對時間的要求。

信號的傳播與終端匹配

RS485信號在雙絞線中的傳輸特性符合傳輸線理論。傳輸線相當于一個雙端口網絡，可等效成電容、電感與電阻的混合網絡，其輸入與輸出阻抗特性因型號的不同而不同;選用Profibus總線專用雙絞線，等效阻抗為120歐。等效阻抗不是一個絕對值，是相對于傳輸信號的頻率而變化的，當信號的頻率很高時，期電容特性表現明顯，所以，對于傳輸12M的數據信號，表現為低阻容性負載，吸收信號的能量快，使傳輸距離變短。另外，在通信中傳輸的信號是以邊沿計時的，邊沿等效為多外高次諧波的疊加，而在傳輸中，傳輸線對高頻的信號吸收過快，從而引起信號的崎變加大，當崎變到一定程度時，在接收端不能正確的接收數據，從而進一步使傳輸距離變短。

信號從發送端進入雙絞線后，傳到另一端，如果終端阻抗不匹配，則回引起回波反射，阻抗的不匹配程序可以引起反射波的幅度與相位都不相同，當一端為低阻網絡時，會吸收掉網絡上的大部分網絡，但也會造成傳輸能量的大量損耗，使傳輸距離大大受影響。正如上面所說，當數字信號在傳輸線上傳輸時，其高頻成份在還不能到達傳輸線的另一端時已被完全吸收，而低次頻率份量則還會傳到對端在阻抗不匹配時產生反射。我們需要做的就是，在倍傳輸過程中，讓吸收的程序與反射的程序都降到較小，以達到我們最好的傳輸質量。

終端匹配網絡是減小反射的一種方法，可以有效降低信號的對傳輸的影響。當信號傳輸到12M速率時，因高頻信號衰減太快，為使信號能夠被識別，只有縮短傳輸距離，所以高速Profibus總線的傳輸距離要比低速總線短很多。

在信號傳輸時，信號在傳輸線中每1ns大約傳輸17cm，要傳輸一個12M的信號，如果采樣率約為6ns，則在約1米的傳輸線上傳送著以個可以被部優別的時間傳輸單元，加上傳輸的驅動器與接收器的延時，會對信號的控制產生更大難度。

測試結果

通過采用勾股通信NS21 Profibus總線通信模塊的測試，在通常的120歐匹配網絡的前提條件下，傳輸雙工的RS485數據，在達到12M的速率時，可以傳輸約10米的距離，這一性能與采用SIMENS的S300 系列PLC產品直接互連時測試的結果基本相同。并通過現場應用測試。

結束語

通過高速與有效的控制，可以實現全速率的Profibus總線的雙向總線中繼與傳輸。