Profibus-DP物理层介绍

Profibus－DP的物理层定义传输介质，包括长度、拓扑、总线接口、站点数和通信速率等，以适应不同的应用。Profibus－DP主要的传输介质有屏蔽双绞线和光纤两种，屏蔽双绞线具有简单、低成本、高速率等特点，已成为市场的主流，因此本书主要介绍以屏蔽双绞线为介质的传输技术。

（一）拓扑结构

Profibus－DP的拓扑结构主要有总线型和树形两种。

1.总线型拓扑结构

在总线型拓扑结构中，Profibus－DP系统是一个两端有有源终端器的线性总线结构，也称为RS－485总线段（见图2－1－2），在一个总线段上最多可连接32个站点。当需要连接的站点数超过32个时，必须将Profibus－DP系统分成若干个总线段，使用中继器连接各个总线段。

根据RS－485标准，在数据线A和B的两端均加接总线终端器。Profibus－DP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），如图2－1－3所示。当在总线上没有站点发送数据时，即两个数据帧之间总线处于空闲状态时，这两个电阻可以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－DP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。

图2-1-2　总线型拓扑结构

图2-1-3　RS-485总线段结构

中继器也称为线路放大器，用于放大传输信号的电平。采用中继器可以增加线缆长度和所连接的站数，两个站之间最多允许采用3个中继器。如果数据通信速率≤93.75 kbit/s，且链接的区域形成一条链（总线型拓扑），并假定导线的横截面积为0.22 mm2，则最大允许的拓扑如下。

（1）1个中继器：2.4 km，62个站点。

（2）2个中继器：3.6 km，92个站点。

（3）3个中继器：4.8 km，122个站点。

中继器是一个负载，因此在一个总线段内，中继器也计为一个站点，这样可运行的最大总线站点数就减少一个，但是中继器并不占用逻辑的总线地址。

2.树形拓扑结构

在树形拓扑中可以用3个以上的中继器，并可连接122个以上的站点。这种拓扑结构可以覆盖很大的一个区域，例如，在通信速率低于93.75 kbit/s，导线横截面积为0.22 mm2时，纵线长度可达4.8 km，如图2－1－4所示。

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图2-1-4　树形拓扑结构

（二）电特性

Profibus－DP规范将NRZ位编码与RS－485信号结合，目的是降低总线耦合器成本，耦合器可以使站与总线之间电气隔离或非电气隔离；Profibus－DP需要总线终端器，特别是在较高数据通信速率（达到1.5 Mbit/s）时更需要。

Profibus－DP规范描述了平衡的总线传输。在双绞线两端的终端器使得Profibus－DP的物理层支持高速数据传输，可支持9.6 kbit/s、19.2 kbit/s、93.75 kbit/s、187.5 kbit/s、500 kbit/s、1.5 Mbit/s、3 Mbit/s、6 Mbit/s及12 Mbit/s等通信速率。

整个网络的长度以及每个总线段的长度都与通信速率有关，当通信速率小于或等于93.75 kbit/s时，最大电缆长度为1 200 m；当通信速率等于1.5 Mbit/s时，最大长度为200 m。不同通信速率下所允许的网络及总线段长度如表2－1－2所示。

（三）连接器

国际性的Profibus－DP标准EN50170推荐使用9针D形连接器用于总线站与总线的相互连接。D形连接器的插座与总线站相连接，而D形连接器的插头与总线电缆相连接。9针D形连接器的针脚分配如表2－1－3所示。

表2-1-2　不同通信速率下所允许的网络及总线段长度

表2-1-3　9针D形连接器的针脚分配

当总线系统运行的通信速率大于1.5 Mbit/s时，由于所连接站的电容性负载会引起导线反射，因此必须使用附加有轴向电感的总线连接插头。

（四）电缆

Profibus－DP总线的主要传输介质是一种屏蔽双绞线，屏蔽有助于改善电磁兼容性。如果没有严重的电磁干扰，也可以使用无屏蔽的双绞线电缆。

Profibus－DP电缆的特征阻抗应为100～200 Ω，电缆的电容应小于60 pF/m，导线的横截面积应大于或等于0.22 mm2。Profibus－DP电缆的技术规范如表3－1－4所示。

表3-1-4　Profibus-DP电缆的技术规范