当前位置： CompoTech China > 厂商大本营（旧版） >
iii.靜電放電
靜電放電現象(ESD)是使用電纜連接的電路暴露在手持或外接的高電壓環境下時，可能會產生的電氣危險。有許多的測試方法（如JEDEC 人體模型 (Human Body Model ,HBM)或IEEE靜電放電免疫力測試(IEC 61000-4-2)）均可被用來模擬不同的靜電放電情形。某些傳送接收器會將靜電放電保護功能整合在匯流排電路中。
一般來說，典型的保護範圍介於8kV 到 15kV之間，某些如SN65LBC184之類的傳送接收器則可提供高達30 kV的保護範圍。關於特定應用場合所需的保護等級很難預測，然而設計人員可由下列的因素進行初步的考量：
• 傳送接收器所處的電氣環境
• 電纜的處理狀況以及操作頻率
• 決定故障點的偵錯程序
• 更換該零件所需的時間以及勞工成本
另外一種可能造成元件損壞的電氣危險則是暫態（突波）過電壓。這類的事件主要是因為雷擊經主變壓器二次測耦合；或由於附近地區因機械故障所造成的電力線故障所導致的。這類現象的測試方法可參考IEC61000-4-5法規的說明。一般來說，加上外接保護二極體可提供能量漏洩的安全路徑。對整合暫態電壓抑制電路的SN65LBC184來說，該元件可提供匯流排輸入端高達400瓦特的突波電壓能量保護。
iv. 一般穩定度
其他的考量則與馬達控制應用場合可能所在的惡劣環境有關。對高功率或工業的應用場合來說，能夠在相當寬廣的溫度範圍下操作也是系統的需求之一。TI公司提供符合商業規格、工業規格、汽車工業規格以及軍用規格溫度範圍的各式RS-485接收器。
另外一項考量就是傳送接收器的操作電壓以及傳送接收器的電壓容忍度。大電流的馬達應用場合可能會造成電源供應器上的電壓降，因此TI公司提供全系列可容忍5% 或 10%電源電壓變動範圍的傳送接收器產品。在大部分的情形下，RS-485傳送接收器可以操作在更寬廣的輸入電壓變動範圍內，不過可能無法符合所有的參數規格(parametric specifications)。TI公司提供可接受5伏特以及 3.3伏特電源供應的傳送接收器。
甲、 速度
i. 回授回路延遲
工程師在設計數位馬達控制系統時一項很重要的考量便是通訊元件會不會在伺服回路上造成嚴重的延遲。一般來說，RS-485資料傳輸所造成的傳遞延遲(propagation delay)對典型的系統是可以忽略的。所有的通訊延遲可以被分類成：
• 接收器以及媒介(media)所造成的傳遞延遲
• 訊號速率(同步) 延遲
• 因編碼造成的額外負擔時間(overhead)
ii. 傳遞延遲 (傳輸線延遲，傳送接收器延遲…)
傳送接收器與傳輸線的傳遞延遲是由於使用半導體元件以及銅線來傳遞訊號之實際物理現象所造成的延遲。典型的傳送接收器傳遞延遲介於數拾到數百奈秒之間。RS-485所使用之雙絞線其傳遞延遲則約為每公尺5奈秒。
為了比較起見，考慮一個伺服頻寬10 kHz的高性能系統。即使對此類的系統而言，一微秒（1000奈秒）的傳遞延遲也僅會造成4度的相位位移。因此對長度不超過100公尺的傳輸線來說，所造成的相位位移均是可被忽略的。
iii. 訊號速率
如果資料傳輸的方式是以資料一旦備妥便開始進行傳送與接收的模式，此時訊號傳輸的速率就僅會受資料來源速率的限制，而不會受到資料傳輸路徑的限制。舉例來說，編碼器是以非同步的方式將所偵測到的訊號脈衝傳送出來。旋轉型的編碼器每轉可以產生8192或甚至高達32000個計數，每秒鐘甚至可產生數百萬個計數。當編碼器直接耦合到傳送接收器時，這些訊號會在少於一微秒的時間內開始傳送，這樣的延遲在系統中是可以忽略的。但是，如果系統以同步的方式控制傳送接收器，則訊號傳輸的速率便必須降低，此時傳輸速度將會影響系統的性能。典型的同步訊號傳輸速率為每秒9600位元，每秒19200位元或每秒115 k位元等。系統設計時必須考慮訊號傳輸速率對資料延遲的衝擊以及對系統性能的影響。
iv. 串列通訊具有較高的額外負擔時間(payload)
除了傳遞延遲以及同步訊號延遲之外，串列通訊在根據通訊協定格式進行編碼時也可能會造成延遲。資料傳輸架構必須進行編碼的原因有許多種，其中一個原因就是要進行資料錯誤的檢查。典型的範例為同位檢查位元，此位元常用來檢查八位元資料的傳真度。另一個典型的範例為啟始與結束位元，這兩個位元主要用來標示訊息的開始與結束。此外，如果資料來源支援較複雜的通訊架構的話，訊息協定中也可能包含諸如命令/狀態代碼等說明位元(Description bits)。
這些外加的位元雖然可以提供資料傳輸架構額外的功能，但是傳輸與解碼這些位元時也需要額外的時間。因此，系統設計者在設定系統速度以及訊號速率需求時必須考慮這些"額外負擔"位元所需的時間。舉例來說，若應用系統中的編碼器以三個8位元字串提供絕對位置資料。當訊號速率為每秒9600位元時，系統每秒鐘可以收到400個位置資料。但是，當系統使用每個訊息需外加8個位元（用來決定最高位字串、啟動位元、停止位元、同位檢查等）的訊息通訊協定時，系統每秒鐘將僅能收到200個位置資料。
乙、 多點傳輸架構
當兩個以上的節點必須在同一個匯流排上進行通訊時，進行系統設計時需額外的考量。如果系統架構是一個節點送出資料，多個節點接收時，此類架構被稱為一對多組態(multi-drop configuration)。如果系統上所有的節點均可以控制匯流排並進行資料傳輸時，此一架構被稱為多點架構(multi-point architecture)。當系統的複雜度增加，訊號通訊協定必須加入決定在特定時間時那個節點可使用匯流排的程序。此一程序可避免匯流排衝突（兩個傳送接收器爭奪匯流排的控制權）的情形。為了安全起見，RS-485標準要求每個傳送接收器必須包含匯流排衝突時對損害的保護。也就是說，即使兩個驅動器以不同的狀態連接到匯流排上時，這兩個傳送接收器也不會因為在共享的匯流排上爭奪電壓準位而受到損壞。
使用多點傳輸架構的RS-485通訊技術可使用同一條雙絞線將32個節點（若使用降低單元負載傳送接收器(reduced unit-load transceivers)時可接到256個節點）連接在一起。對於多軸、多感測器的系統來說，如此可大幅簡化接線的複雜度。
訊號傳輸速率必須夠高，如此所有的節點方能均滿足其各自的資料更新需求。TIA/EIA-485標準建議的訊號傳輸速率為每秒鐘10百萬位元(10 Mbps)，此一速度已能滿足大部分系統的需求。對需要更高傳輸速率的系統來說，某些傳送接收器的訊號傳輸能力可高達30 Mbps。
許多標準的通訊協定均使用RS-485的訊號傳輸方式。這些通訊協定使用不同的訊息格式、錯誤檢查方式、多點匯流排控制以及協商訊號速率(negotiating signaling rates)來進行通訊。一般適用於馬達以及動作控制的通訊協定包括Modbus， Profibus以及 Interbus-S等。這些不同的通訊協定是由不同的代理商所提供，也各自適用於不同的網路組態。
應用範例
以高解析度增量型編碼器的回授訊號為例；圖7所示為典型的應用場合範例，其中RS-485主要用來將編碼器資訊回報給動作控制器。由於空間限制或者控制器必須易於接近等因素，通常編碼器與控制器之間會有一段距離。
在本範例中，有四個訊號必須進行點對點通訊，因此系統需要使用具四個傳送器的晶片以及具四個接收器的晶片。因為阻抗匹配的原因，匯流排的接收端必須加上終端電阻以消除訊號的反射。系統設計者必須根據下列因素來選擇最佳的驅動器以及接收器晶片：
• 編碼器到控制器的距離
• 馬達的最高轉速
• 內插因素(interpolation factor)，此一因素決定編碼器的解析度
• 靜電放電保護、功率消耗以及價格的需求
結論
RS-485 通訊可提供下列與數位馬達控制在通訊方面的解決方案。
• 使用高驅動輸出電壓以及內建的接收器磁滯功能來克服電氣雜訊
• 強力的差動驅動器以及寬廣的共模能力使得訊號即使需傳送遠距離也能維持可靠度
• 整合靜電放電保護以及突波保護能力，在嚴苛的環境下也能維持可靠度
• 即使加上錯誤檢查以及通訊協定的額外負擔時間，RS-485的通訊速度仍能符合伺服性能的需求
• RS-485具多點通訊功能，可適用於先進的網路應用場合中。
總結來說，適當的訊號傳輸速率，強健的功能以及多樣的接收器選擇使得RS-485技術可適用於各式的數位馬達控制應用場合。
附註
1. RS-485在數位馬達控制的應用之-(I)的內容，請參見本刊第51期，頁117-122。
2. 本文英文題目為Using RS-485 for Digital Motor Control Applications，如欲查閱英文全文請參見ChipCenter (www.chipcenter.com)中knowledge Centers項下，屬於Analog Avenue 部分的同名文章。
作者簡介
Clark Kinnaird 在TI高效能類比部門，擔任系統工程師，負責包括RS-485以及 CAN傳輸接收器在內的新資料傳輸產品並支援網路設計人員進行系統分析、電路設計以及實驗室研究。他同時也在South Methodist大學(SMU)教授電機工程課程。Dr. Kinnaird 於1999年取得 SMU博士學位，也同時擁有核子工程學的學士以及碩士學位。Kinnaird博士在多個領域擁有已通過的或待審的專利，同時是Eta Kappa Nu 以及 Phi Kappa Phi 的榮譽會員，也是IEEE的會員及德州的電機專門技師。
靜電放電現象(ESD)是使用電纜連接的電路暴露在手持或外接的高電壓環境下時，可能會產生的電氣危險。有許多的測試方法（如JEDEC 人體模型 (Human Body Model ,HBM)或IEEE靜電放電免疫力測試(IEC 61000-4-2)）均可被用來模擬不同的靜電放電情形。某些傳送接收器會將靜電放電保護功能整合在匯流排電路中。
一般來說，典型的保護範圍介於8kV 到 15kV之間，某些如SN65LBC184之類的傳送接收器則可提供高達30 kV的保護範圍。關於特定應用場合所需的保護等級很難預測，然而設計人員可由下列的因素進行初步的考量：
• 傳送接收器所處的電氣環境
• 電纜的處理狀況以及操作頻率
• 決定故障點的偵錯程序
• 更換該零件所需的時間以及勞工成本
另外一種可能造成元件損壞的電氣危險則是暫態（突波）過電壓。這類的事件主要是因為雷擊經主變壓器二次測耦合；或由於附近地區因機械故障所造成的電力線故障所導致的。這類現象的測試方法可參考IEC61000-4-5法規的說明。一般來說，加上外接保護二極體可提供能量漏洩的安全路徑。對整合暫態電壓抑制電路的SN65LBC184來說，該元件可提供匯流排輸入端高達400瓦特的突波電壓能量保護。
iv. 一般穩定度
其他的考量則與馬達控制應用場合可能所在的惡劣環境有關。對高功率或工業的應用場合來說，能夠在相當寬廣的溫度範圍下操作也是系統的需求之一。TI公司提供符合商業規格、工業規格、汽車工業規格以及軍用規格溫度範圍的各式RS-485接收器。
另外一項考量就是傳送接收器的操作電壓以及傳送接收器的電壓容忍度。大電流的馬達應用場合可能會造成電源供應器上的電壓降，因此TI公司提供全系列可容忍5% 或 10%電源電壓變動範圍的傳送接收器產品。在大部分的情形下，RS-485傳送接收器可以操作在更寬廣的輸入電壓變動範圍內，不過可能無法符合所有的參數規格(parametric specifications)。TI公司提供可接受5伏特以及 3.3伏特電源供應的傳送接收器。
甲、 速度
i. 回授回路延遲
工程師在設計數位馬達控制系統時一項很重要的考量便是通訊元件會不會在伺服回路上造成嚴重的延遲。一般來說，RS-485資料傳輸所造成的傳遞延遲(propagation delay)對典型的系統是可以忽略的。所有的通訊延遲可以被分類成：
• 接收器以及媒介(media)所造成的傳遞延遲
• 訊號速率(同步) 延遲
• 因編碼造成的額外負擔時間(overhead)
ii. 傳遞延遲 (傳輸線延遲，傳送接收器延遲…)
傳送接收器與傳輸線的傳遞延遲是由於使用半導體元件以及銅線來傳遞訊號之實際物理現象所造成的延遲。典型的傳送接收器傳遞延遲介於數拾到數百奈秒之間。RS-485所使用之雙絞線其傳遞延遲則約為每公尺5奈秒。
為了比較起見，考慮一個伺服頻寬10 kHz的高性能系統。即使對此類的系統而言，一微秒（1000奈秒）的傳遞延遲也僅會造成4度的相位位移。因此對長度不超過100公尺的傳輸線來說，所造成的相位位移均是可被忽略的。
iii. 訊號速率
如果資料傳輸的方式是以資料一旦備妥便開始進行傳送與接收的模式，此時訊號傳輸的速率就僅會受資料來源速率的限制，而不會受到資料傳輸路徑的限制。舉例來說，編碼器是以非同步的方式將所偵測到的訊號脈衝傳送出來。旋轉型的編碼器每轉可以產生8192或甚至高達32000個計數，每秒鐘甚至可產生數百萬個計數。當編碼器直接耦合到傳送接收器時，這些訊號會在少於一微秒的時間內開始傳送，這樣的延遲在系統中是可以忽略的。但是，如果系統以同步的方式控制傳送接收器，則訊號傳輸的速率便必須降低，此時傳輸速度將會影響系統的性能。典型的同步訊號傳輸速率為每秒9600位元，每秒19200位元或每秒115 k位元等。系統設計時必須考慮訊號傳輸速率對資料延遲的衝擊以及對系統性能的影響。
iv. 串列通訊具有較高的額外負擔時間(payload)
除了傳遞延遲以及同步訊號延遲之外，串列通訊在根據通訊協定格式進行編碼時也可能會造成延遲。資料傳輸架構必須進行編碼的原因有許多種，其中一個原因就是要進行資料錯誤的檢查。典型的範例為同位檢查位元，此位元常用來檢查八位元資料的傳真度。另一個典型的範例為啟始與結束位元，這兩個位元主要用來標示訊息的開始與結束。此外，如果資料來源支援較複雜的通訊架構的話，訊息協定中也可能包含諸如命令/狀態代碼等說明位元(Description bits)。
這些外加的位元雖然可以提供資料傳輸架構額外的功能，但是傳輸與解碼這些位元時也需要額外的時間。因此，系統設計者在設定系統速度以及訊號速率需求時必須考慮這些"額外負擔"位元所需的時間。舉例來說，若應用系統中的編碼器以三個8位元字串提供絕對位置資料。當訊號速率為每秒9600位元時，系統每秒鐘可以收到400個位置資料。但是，當系統使用每個訊息需外加8個位元（用來決定最高位字串、啟動位元、停止位元、同位檢查等）的訊息通訊協定時，系統每秒鐘將僅能收到200個位置資料。
乙、 多點傳輸架構
當兩個以上的節點必須在同一個匯流排上進行通訊時，進行系統設計時需額外的考量。如果系統架構是一個節點送出資料，多個節點接收時，此類架構被稱為一對多組態(multi-drop configuration)。如果系統上所有的節點均可以控制匯流排並進行資料傳輸時，此一架構被稱為多點架構(multi-point architecture)。當系統的複雜度增加，訊號通訊協定必須加入決定在特定時間時那個節點可使用匯流排的程序。此一程序可避免匯流排衝突（兩個傳送接收器爭奪匯流排的控制權）的情形。為了安全起見，RS-485標準要求每個傳送接收器必須包含匯流排衝突時對損害的保護。也就是說，即使兩個驅動器以不同的狀態連接到匯流排上時，這兩個傳送接收器也不會因為在共享的匯流排上爭奪電壓準位而受到損壞。
使用多點傳輸架構的RS-485通訊技術可使用同一條雙絞線將32個節點（若使用降低單元負載傳送接收器(reduced unit-load transceivers)時可接到256個節點）連接在一起。對於多軸、多感測器的系統來說，如此可大幅簡化接線的複雜度。
訊號傳輸速率必須夠高，如此所有的節點方能均滿足其各自的資料更新需求。TIA/EIA-485標準建議的訊號傳輸速率為每秒鐘10百萬位元(10 Mbps)，此一速度已能滿足大部分系統的需求。對需要更高傳輸速率的系統來說，某些傳送接收器的訊號傳輸能力可高達30 Mbps。
許多標準的通訊協定均使用RS-485的訊號傳輸方式。這些通訊協定使用不同的訊息格式、錯誤檢查方式、多點匯流排控制以及協商訊號速率(negotiating signaling rates)來進行通訊。一般適用於馬達以及動作控制的通訊協定包括Modbus， Profibus以及 Interbus-S等。這些不同的通訊協定是由不同的代理商所提供，也各自適用於不同的網路組態。
應用範例
以高解析度增量型編碼器的回授訊號為例；圖7所示為典型的應用場合範例，其中RS-485主要用來將編碼器資訊回報給動作控制器。由於空間限制或者控制器必須易於接近等因素，通常編碼器與控制器之間會有一段距離。
在本範例中，有四個訊號必須進行點對點通訊，因此系統需要使用具四個傳送器的晶片以及具四個接收器的晶片。因為阻抗匹配的原因，匯流排的接收端必須加上終端電阻以消除訊號的反射。系統設計者必須根據下列因素來選擇最佳的驅動器以及接收器晶片：
• 編碼器到控制器的距離
• 馬達的最高轉速
• 內插因素(interpolation factor)，此一因素決定編碼器的解析度
• 靜電放電保護、功率消耗以及價格的需求
結論
RS-485 通訊可提供下列與數位馬達控制在通訊方面的解決方案。
• 使用高驅動輸出電壓以及內建的接收器磁滯功能來克服電氣雜訊
• 強力的差動驅動器以及寬廣的共模能力使得訊號即使需傳送遠距離也能維持可靠度
• 整合靜電放電保護以及突波保護能力，在嚴苛的環境下也能維持可靠度
• 即使加上錯誤檢查以及通訊協定的額外負擔時間，RS-485的通訊速度仍能符合伺服性能的需求
• RS-485具多點通訊功能，可適用於先進的網路應用場合中。
總結來說，適當的訊號傳輸速率，強健的功能以及多樣的接收器選擇使得RS-485技術可適用於各式的數位馬達控制應用場合。
附註
1. RS-485在數位馬達控制的應用之-(I)的內容，請參見本刊第51期，頁117-122。
2. 本文英文題目為Using RS-485 for Digital Motor Control Applications，如欲查閱英文全文請參見ChipCenter (www.chipcenter.com)中knowledge Centers項下，屬於Analog Avenue 部分的同名文章。
作者簡介
Clark Kinnaird 在TI高效能類比部門，擔任系統工程師，負責包括RS-485以及 CAN傳輸接收器在內的新資料傳輸產品並支援網路設計人員進行系統分析、電路設計以及實驗室研究。他同時也在South Methodist大學(SMU)教授電機工程課程。Dr. Kinnaird 於1999年取得 SMU博士學位，也同時擁有核子工程學的學士以及碩士學位。Kinnaird博士在多個領域擁有已通過的或待審的專利，同時是Eta Kappa Nu 以及 Phi Kappa Phi 的榮譽會員，也是IEEE的會員及德州的電機專門技師。
