Fieldbus로 더 빠르고 멀리 나아가기

PROCENTEC와 같은 업계 전문가들은 RS-485 기반 필드버스 기술 채택(PROFIBUS ^® )에서 꾸준한 성장을 보여줍니다. ) 및 산업용 이더넷(PROFINET)의 급속한 성장. 2018년에는 전 세계적으로 6,100만 개의 PROFIBUS 필드버스 노드가 설치되었으며 PROFIBUS 프로세스 자동화(PA)는 전년 대비 7% 성장했습니다. PROFINET 설치 기반은 2600만 노드이며 2018년에만 510만 장치가 설치되었습니다. ¹

RS-485 필드버스 채택의 꾸준한 성장과 스마트 커넥티드 팩토리 구축을 가속화하는 인더스트리 4.0과 함께, 필드버스 기술이 최적화되도록 보장하는 것은 스마트 시스템을 가능하게 하는 데 도움이 됩니다. 최적화된 필드버스 기술은 EMC 견고성과 안정적인 데이터 전송의 균형을 신중하게 맞춰야 합니다.

신뢰할 수 없는 데이터 전송은 전체 시스템 성능을 저하시킵니다. 모션 제어 애플리케이션에서 필드버스는 일반적으로 단축 또는 다축 모터의 폐쇄 루프 위치 제어에 사용됩니다. 그림 1과 같이 높은 데이터 전송률과 긴 케이블이 일반적입니다. 위치 제어가 신뢰할 수 없는 경우 실제적인 측면에서 성능 저하는 기계 처리량의 품질 저하와 공장 생산성 감소를 의미합니다. 무선 인프라 애플리케이션에서 필드버스는 일반적으로 정확한 데이터 전송이 중요한 안테나의 기울기/위치 제어에 사용됩니다. 모션 제어 및 무선 인프라 애플리케이션 모두 그림 1과 같이 다양한 수준의 EMC 보호가 필요합니다. 모션 제어 애플리케이션은 일반적으로 데이터 오류를 유발할 수 있는 전기적으로 노이즈가 많은 환경에서 작동합니다. 이에 비해 무선 인프라는 노출된 환경에서 간접적인 낙뢰로부터 손상을 입지 않도록 보호되어야 합니다.

이러한 까다로운 애플리케이션의 경우 케이블을 통한 RS-485 트랜시버 타이밍 성능에 대한 주의 깊은 조사는 EMC 특성화뿐만 아니라 안정적인 시스템을 보장하는 데 필요합니다. 이 기사에서는 몇 가지 주요 시스템 타이밍 및 통신 케이블 개념을 소개합니다. 클록 및 데이터 분배 및 케이블 구동 기능을 포함한 핵심 성능 지표를 제공합니다. 차세대 RS-485 트랜시버를 사용하는 산업용 애플리케이션에 대한 이점을 보여줍니다.

타이밍 성능

긴 케이블 길이에서 높은 데이터 속도로 안정적인 데이터 전송을 고려할 때 지터 및 스큐(종종 저전압 차동 신호(LVDS)와 관련됨)와 같은 타이밍 성능 개념은 RS-485에 중요합니다. RS-485 트랜시버와 시스템 케이블 모두에 의해 추가된 지터 및 스큐를 검사해야 합니다.

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그림 1. RS-485의 EMC, 데이터 속도 및 케이블 길이. (출처:Analog Devices)

지터 및 왜곡

지터는 시간 간격 오류, 특히 신호 전환의 예상 도착 시간과 해당 전환이 실제로 도착하는 시간 간의 차이로 수량화할 수 있습니다. 통신 링크 내에는 다양한 지터 기여자가 있습니다. 각 기여자는 본질적으로 무작위 또는 결정적이라고 광범위하게 설명할 수 있습니다. 랜덤 지터는 가우스 분포에서 식별할 수 있으며 반도체 내의 열 노이즈 및 광대역 샷 노이즈에서 발생합니다. 결정적 지터는 통신 시스템 내의 소스에서 발생합니다. 예를 들어 듀티 사이클 왜곡, 누화, 주기적인 외부 노이즈 소스 또는 기호 간 간섭이 있습니다. RS-485 표준을 사용하는 통신 시스템에서 데이터 속도는 100MHz 미만이며 이러한 결정적 지터 효과가 임의 효과보다 우세합니다.

첨두치 지터 값은 결정적 소스로 인한 전체 시스템 지터를 측정하는 데 유용합니다. 첨두치 지터는 동일한 디스플레이(일반적으로 아이 다이어그램이라고 함)에 많은 수의 신호 전환을 중첩하여 시간 영역에서 검사할 수 있습니다. 이는 무한 지속성을 사용하는 오실로스코프 디스플레이에서 또는 그림 2와 같이 오실로스코프의 내장 지터 분해 소프트웨어를 사용하여 달성할 수 있습니다. ²

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그림 2. 시간 간격 오류, 지터 및 아이. (출처:Analog Devices)

오버레이된 전환의 폭은 첨두치 지터이며, 그 사이의 열린 영역을 아이라고 합니다. 이 아이는 긴 RS-485 케이블의 맨 끝에 있는 수신 노드에서 샘플링할 수 있는 영역입니다. 더 큰 아이 너비는 수신 노드에 샘플링을 위한 더 넓은 창을 제공하고 비트를 잘못 수신할 위험을 줄입니다. 사용 가능한 눈은 주로 RS-485 드라이버 및 수신기와 상호 연결 케이블의 결정적 지터 기여도에 의해 영향을 받습니다.

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그림 3. RS-485 통신 네트워크에서 지터의 주요 원인. (출처:Analog Devices)

그림 3은 통신 네트워크의 다양한 지터 소스를 보여줍니다. RS-485 기반 통신 시스템에서 타이밍 성능에 대한 두 가지 주요 요인은 트랜시버 펄스 스큐와 심볼 간 간섭입니다. 펄스 폭 왜곡 또는 듀티 사이클 왜곡이라고도 하는 펄스 스큐는 송수신 노드에서 트랜시버에 의해 도입되는 결정적 지터의 한 형태입니다. 펄스 스큐는 신호의 상승 에지와 하강 에지 사이의 전파 지연 차이로 정의됩니다. 차동 통신에서 이 스큐는 비대칭 크로스오버 지점과 전송된 0과 1의 지속 시간 사이의 불일치를 생성합니다. 클록 분배 시스템에서 과도한 펄스 스큐는 전송된 클록의 듀티 사이클의 왜곡으로 나타납니다. 데이터 분배 시스템에서 이러한 비대칭은 아이 다이어그램에서 관찰되는 첨두치 지터를 증가시킵니다. 두 경우 모두 과도한 펄스 스큐는 RS-485를 통해 전송되는 신호에 부정적인 영향을 미치고 사용 가능한 샘플링 창과 전체 시스템 성능을 모두 감소시킵니다.

ISI(기호간 간섭)는 신호 에지의 도달 시간이 해당 에지를 진행한 데이터 패턴의 영향을 받을 때 발생합니다. Intersymbol 간섭 효과는 더 긴 케이블 상호 연결이 있는 응용 프로그램에서 두드러져 ISI를 RS-485 네트워크의 주요 기여자로 만듭니다. 인터커넥트가 길수록 케이블 커패시턴스가 단일 비트 기간이 끝날 때까지 완전히 충전되지 않은 RC 시간 상수가 생성됩니다. 전송된 데이터가 클럭만으로 구성된 애플리케이션에서는 이러한 형태의 심볼간 간섭이 존재하지 않습니다. 기호 간 간섭은 케이블 전송 라인의 임피던스 불일치, 라인 스텁 또는 터미네이션 저항기의 부적절한 사용으로 인해 발생할 수도 있습니다. 출력 구동 강도가 높은 RS-485 트랜시버는 일반적으로 RS-485 케이블의 부하 커패시턴스를 충전하는 데 더 적은 시간이 필요하기 때문에 ISI 효과를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

허용 가능한 첨두치 지터의 비율은 애플리케이션에 따라 크게 달라지며 일반적으로 10% 지터는 RS-485 트랜시버와 케이블 성능의 조합을 벤치마킹하는 데 사용됩니다. 과도한 지터와 스큐의 조합은 수신 RS-485 트랜시버의 샘플링 기능에 영향을 주어 통신 오류의 가능성을 높입니다. 적절하게 종단된 전송 네트워크에서 트랜시버 펄스 왜곡과 심볼 간 간섭 효과를 최소화하도록 최적화된 트랜시버를 선택하면 더 안정적이고 오류가 없는 통신 링크가 생성됩니다.

RS-485 트랜시버 설계 및 케이블 효과

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 표준 ³ 전압 출력 차동(VOD), 단락 특성, 공통 모드 부하, 입력 전압 임계값 및 범위를 포함하여 RS-485 송신기 및 수신기의 설계 및 작동 범위에 대한 사양을 제공합니다. 스큐 및 지터를 포함한 RS-485 타이밍 성능은 TIA-485-A/EIA-485-A 표준에 지정되어 있지 않으며 IC 공급업체에서 제품 데이터 시트 사양으로 최적화합니다.

TIA-568-B.2/EIA-568-B.2와 같은 기타 표준, 트위스트 페어 케이블 연결을 위한 통신 표준 ⁴ RS-485 신호 품질에 대한 케이블 ac 및 dc 효과에 대한 배경을 제공합니다. 이 표준은 성능 제한이 설정된 상태에서 지터, 스큐 및 기타 타이밍 측정에 대한 고려 사항 및 테스트 절차를 제공합니다. 예를 들어 최대 허용 카테고리 5e 케이블 스큐는 100m당 45ns입니다. TIA-568-B.2/EIA-568-B.2 표준 및 시스템 성능에 대한 비이상적 케이블 사용의 결과에 대한 자세한 내용은 향상된 RS-485 성능을 참조하십시오.

사용 가능한 표준 및 제품 데이터 시트는 유용한 정보의 좋은 소스를 제공하지만 시스템 타이밍 성능의 의미 있는 특성화는 긴 케이블에서 RS-485 트랜시버를 측정해야 합니다.

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그림 4. ADM3065E의 일반적인 클록 지터 성능. (출처:Analog Devices)

RS-485로 더 빠르고 더 멀리 통신

차세대 RS-475 트랜시버는 스큐 및 지터를 정의하지 않는 TIA-485-A/EIA-485-A와 같은 표준을 사용하여 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는 향상된 성능을 제공합니다. 예를 들어 Analog Devices의 ADM3065E와 같은 RS0485 트랜시버는 초저 송신기 및 수신기 스큐 성능을 제공합니다. 이를 통해 시스템은 EnDat 2.2와 같은 모터 인코딩 표준에 자주 등장하는 정밀 시계의 전송을 지원할 수 있습니다. ⁵ 그림 4 및 5에서 볼 수 있듯이 시스템은 모터 제어 애플리케이션에서 발생하는 일반적인 케이블 길이에 걸쳐 5% 미만의 결정적 지터를 나타내는 것으로 나타났습니다. 트랜시버의 넓은 공급 범위는 3.3V 또는 5V 트랜시버 전원 공급 장치가 필요한 애플리케이션에 이 수준의 타이밍 성능을 사용할 수 있음을 의미합니다.

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그림 5. ADM3065E 수신 아이 다이어그램:100m 케이블에 분산된 25MHz 클록. (출처:Analog Devices)

우수한 클록 분배 외에도 향상된 타이밍 성능은 고속 출력과 최소한의 추가 지터로 안정적인 데이터 분배를 가능하게 합니다. 그림 6은 향상된 트랜시버를 사용하여 일반적으로 RS-485 데이터 통신에 인용되는 타이밍 제한을 크게 완화할 수 있음을 보여줍니다. 표준 RS-485 트랜시버는 일반적으로 10% 이하의 지터로 작동하는 것으로 알려져 있습니다. ADM3065E는 최대 100m 케이블에서 20Mbps 이상으로 작동할 수 있으며 수신 노드에서 여전히 10%의 지터를 유지할 수 있습니다. 이 낮은 수준의 지터는 수신 데이터 노드에 의한 부정확한 샘플링의 위험을 줄이고 이전에는 일반적인 RS-485 트랜시버를 사용하여 불가능했던 전송의 신뢰성을 가져옵니다. 수신 노드가 최대 20%의 지터 수준을 견딜 수 있는 애플리케이션에서는 100m 케이블 길이에서 최대 35Mbps의 데이터 속도를 달성할 수 있습니다.

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그림 6. ADM3065E 수신 데이터 노드 우수한 지터 성능. (출처:Analog Devices)

EnDat 2.2 인코더 프로토콜을 사용하여 전송된 모든 패킷에 대해 데이터는 하강 클록 에지와 동기화하여 전송됩니다. 그림 7은 절대 위치(TCAL)의 초기 계산 후 시작 비트가 인코더에서 다시 마스터 컨트롤러로 데이터 전송을 시작하는 것을 보여줍니다. 후속 오류 비트(F1, F2)는 인코더의 오작동으로 인해 잘못된 위치 값이 발생할 수 있는 경우를 나타냅니다. 그런 다음 인코더는 LS로 시작하는 절대 위치 값을 다음 데이터와 함께 전송합니다. 클록 및 데이터 신호 무결성은 최대 10% 지터를 지정하는 EnDat 2.2와 함께 긴 케이블 실행에 대한 성공적인 위치 및 오류 신호에 중요합니다. EnDat 2.2는 20m 케이블 연결에 대해 16MHz 클록 속도에서 최대 작동을 지정합니다. 그림 4는 이러한 요구 사항이 5% 클록 지터만으로 충족될 수 있음을 보여주고 그림 6은 데이터 전송을 위한 지터 요구 사항이 충족되는 반면 표준 RS-485 트랜시버는 충족되지 않음을 보여줍니다. 이는 케이블보다 우수한 타이밍 성능을 통해 시스템 설계자가 EnDat 2.2 사양을 충족하도록 성공적으로 설계된 설계를 가능하게 하는 데 필요한 정보를 확보할 수 있기 때문에 중요합니다.

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그림 7. EnDat 2.2 물리 계층 및 클록/데이터 동기화가 있는 프로토콜(EnDat 2.2의 수정된 다이어그램). (출처:Analog Devices)

긴 케이블에 비해 더 나은 안정성

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 표준 ³ 완전히 로드된 네트워크에 최소 1.5V의 차동 전압 진폭(VOD)을 생성하려면 호환 RS-485 드라이버가 필요합니다. 이 1.5VOD는 최소 200mV의 입력 차동 전압으로 작동하도록 지정된 RS-485 수신기를 사용하여 긴 케이블 길이에서 1.3V의 전압 dc 감쇠를 허용합니다. 5V에서 전원이 공급될 때 최소 2.1V의 VOD를 출력하도록 설계된 트랜시버를 사용하면 설계자는 RS-485 사양 요구 사항을 초과할 수 있습니다.

완전히 로드된 RS-485 네트워크는 54Ω 차동 부하와 동일하며, 1개의 단위 부하 또는 12kΩ의 32개의 연결된 장치를 나타내는 추가 750Ω과 함께 2개의 120Ω 저항의 이중 종단 버스를 시뮬레이션합니다. ADM3065E는 TIA-485-A/EIA-485-A의 요구 사항을 능가하는 필수 공통 모드 전압 범위를 충족하면서 VOD를 최대화하는 독점 출력 아키텍처를 특징으로 합니다. 그림 8은 트랜시버가 3.3V 공급 레일에서 전력을 공급받을 때>210%, 5V 공급 레일에서 전력을 공급받을 때>300%만큼 RS-485 표준의 드라이브 요구 사항을 초과하는 방법을 보여줍니다. 이를 통해 시스템은 일반 RS-485 트랜시버보다 더 많은 원격 노드와 더 많은 노이즈 마진으로 더 멀리 통신할 수 있습니다.

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그림 8. RS-485를 초과하는 ADM3065E는 광범위한 공급 범위에서 요구 사항을 구동합니다. (출처:Analog Devices)

그림 9는 케이블 길이가 1000m 이상인 일반적인 애플리케이션에서 이 지점을 추가로 보여줍니다. 표준 AWG 24 케이블을 통해 통신할 때 향상된 트랜시버는 표준 RS-485 트랜시버보다 30% 더 우수합니다. 수신 노드에서 노이즈 마진이 30% 더 크거나 낮은 데이터 속도에서 최대 케이블 길이가 30% 증가합니다. 이 성능은 RS-485 케이블이 수백 미터 이상 연장되는 무선 인프라 애플리케이션에 매우 적합합니다.

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그림 9. ADM3065E는 초장거리용 우수한 차동 신호를 제공합니다. (출처:Analog Devices)

EMC 보호 및 소음 방지

RS-485 신호는 균형이 잡혀 있고 차동적이며 본질적으로 잡음에 내성이 있습니다. 시스템 노이즈는 RS-485 트위스트 페어 케이블의 각 와이어에 동일하게 결합됩니다. 트위스트 페어 케이블은 유도 노이즈 전류가 반대 방향으로 흐르게 하고 RS-485 버스에 연결된 전자기장은 서로를 상쇄합니다. 이것은 시스템의 전자기 민감성을 감소시킵니다. 또한 구동 강도가 높을수록 통신에서 신호 대 잡음비(SNR)가 높아집니다. 지상 레벨과 무선 기지국 안테나 사이의 수백 미터와 같은 긴 케이블을 통해 향상된 SNR과 우수한 신호 무결성은 안테나의 정확하고 안정적인 기울기/위치 제어를 보장합니다.

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그림 10. 무선 인프라 케이블 길이는 수백 미터를 초과할 수 있습니다. (출처:Analog Devices)

그림 1에서 알 수 있듯이 인접 커넥터와 케이블을 통해 외부 세계와 직접 인터페이스하는 RS-485 트랜시버에는 EMC 보호가 필요합니다. 예를 들어, 노출된 RS-485 커넥터의 ESD와 모터 드라이브에 대한 인코더 케이블 연결은 일반적인 시스템 위험 요소입니다. 조정 가능한 속도, 전력 구동 시스템에 대한 EMC 내성 요구 사항과 관련된 시스템 수준 IEC 61800-3 표준에는 최소 ±4kV 접점/±8kV 공기 IEC 61000-4-2 ESD 보호가 필요합니다. ADM3065E와 같은 향상된 트랜시버는 ±12kV 접촉/±12kV 공기 IEC 61000-4-2 ESD 보호로 이 요구 사항을 초과합니다.

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그림 11. ESD, EFT 및 서지 보호 기능을 갖춘 완전한 25Mbps 신호 및 전력 절연 RS-485 솔루션. (출처:Analog Devices)

무선 인프라 애플리케이션의 경우 낙뢰 서지 피해로부터 보호하기 위해 향상된 EMC 보호 기능이 필요합니다. SM712 TVS와 2개의 10Ω 조정 저항기를 트랜시버 입력에 추가하면 최대 ±30kV 61000-4-2 ESD 보호 및 ±1kV IEC 61000-4-5 서지 보호를 통해 향상된 EMC 보호 기능을 제공합니다.

전기적으로 가혹한 모터 제어, 프로세스 자동화 및 무선 인프라 애플리케이션에 대한 노이즈 내성을 높이기 위해 갈바닉 절연을 추가할 수 있습니다. Analog Devices의 i를 사용하여 ADM3065E에 강화 절연 및 5kV rms 과도 내전압이 있는 갈바닉 절연을 추가할 수 있습니다. 커플러 ^® 및 iso 파워 ^® 기술. ADuM231D는 최대 25Mbps의 속도로 강력한 작동을 허용하는 정밀 타이밍 성능과 함께 5kV rms 신호 절연의 필수 3개 채널을 제공합니다. ADuM6028 절연 DC-DC 컨버터는 5kV rms의 내구 등급으로 필요한 절연 전력을 제공합니다. 2개의 페라이트 비드를 사용하여 EN 55022 Class B/CISPR 22와 같은 EMC 규정 준수 표준을 쉽게 충족하므로 6mm × 7.5mm 폼 팩터의 소형 절연 dc-dc 솔루션이 됩니다.

차세대 RS-485 트랜시버는 업계 표준을 능가하여 표준 RS-485 장치에 비해 더 멀리 더 빠르게 통신할 수 있습니다. EnDat 2.2 ⁵ 에 지정된 10% 지터 수준에서 , 시스템은 최대 20m 케이블을 통해 16MHz 클록 속도로 작동할 수 있으며 표준 RS-485는 이 요구 사항을 충족하기 위해 고군분투합니다. RS-485 버스 구동 요구 사항을 최대 300% 초과하여 더 긴 케이블에 대해 더 나은 안정성과 더 많은 노이즈 마진을 제공합니다. i를 추가하여 노이즈 내성을 향상시킬 수 있습니다. ADuM231D 신호 절연기와 업계 최소형 폼 팩터 절연 전원 솔루션인 ADuM6028을 포함한 커플러 절연.

참조

¹ "PROFINET 및 PROFIBUS 노드 수는 2018년에 8,700만 개를 돌파했습니다." Profibus Group, 2019년 5월.

² 코날 워터슨. "LVDS 및 M-LVDS 회로 구현 가이드." Analog Devices, Inc., 2013년 3월.

³ “TIA/EIA-485-A, 균형 디지털 다지점 시스템에서 사용하기 위한 발생기 및 수신기의 전기적 특성.” IHS Markit Inc., 1998년 3월.

⁴ "TIA/EIA-568-B.2, 상업용 건물 통신 케이블 연결 표준 - 파트 2:균형 트위스트 페어 케이블 연결 구성요소." 통신 산업 협회, 2001년 5월.

⁵ "EnDat 2.2 - 위치 인코더를 위한 양방향 인터페이스." 하이덴하인, 2017년 9월.