工业通信包括数据监视和处理、诊断和监测以及可视化,还包括在组环电流和共模噪声条件下维护数据完整性的各个方面,其中光耦常用来解决组环电流和共模噪声这两大问题。工业通信要求随着时间的推移也在不断变化,用户可以根据速度、切换规范或安全等要求选择各种技术和通信总线。欧洲市场上现场总线系统在全部网络层次的销售将从2001年的1.702亿美元上升到2008年的4.2亿美元。工业网络层次分为:
. 企业级(以太网PC、服务器、网关)
. 控制级(高性能以太网(HSE)、以太网、ProfiNet)
. 设备级(Profibus DP、DeviceNet)
. 传感器级(CANbus、Remote I/O)
工业网络层次
目前智能传感器被越来越多地应用于工业系统中,使得设备级的通信逐步走向更复杂的信息交换。由于小型化程度的完善,现在的传感器已经是一个具有存储器和网络功能的小型PC,通过比如自身校正等功能可提供复杂的反馈和更精确的信息,从而有效补偿与非线性、偏移或温度相关的错误。这些优点和新的灵活性使这些智能传感器取得了很大的成功,并提升了工业通信的总体性能。利用可编程逻辑控制器(PLC)还能进一步增加工业通信系统的智能。PLC可用来控制和处理较低网络协议层(OSI)、特别是传感器和设备级的信息流。
现场总线是另一个受益于智能传感器的快速增长领域。现场总线通常用来连接这些单个的可编程逻辑控制器。其中目前最常用的现场总线是主要用于区域通信的Profibus、DeviceNet、Interbus、CAN总线。Profibus是以西门子为首的各大公司联盟于1989年创建的,在欧洲处于市场领导地位,而得到Allen-Bradley(Rockwell)支持的DeviceNet则在美国独领风骚。
为了获得信号完整性,从低速RS232或CAN总线到高速RS485接口等各种接口卡都会用到光耦器件。为了优化占用空间,通常优选多通道封装。双向通信通道非常有助于缩小电路板空间。
对隔离器的要求通常是“速度”或 “MBd”。对设计师来说更有价值的是与开关有关的规范要求,如传播延迟和脉宽失真。DeviceNet规定了相对较低的数据速率,如125kBaud、250kBaud和500kBaud,但要求小于40ns的传播延迟。CANbus规定了125kBit/s低速和1Mbit/s高速数据速率,但对传播延时没有严格的要求。Profibus发送数据在12MBd范围内,并规定了隔离器、收发器和连接本身的PWD总延时。为了满足总体要求,隔离器延时一般需要小于8ns,最好是6ns以下以便为更长距离留出更安全的余量。容性和磁性隔离器等新兴技术可以提供高达100MBd的速度,但对通信速度的限制来自脉宽失真(PWD)。市场上现有的隔离器(如光/磁或容性耦合器)已经可以提供低至2ns的PWD,该延时规定了异步数据通信的最大速度,在没有外部元件的情况下能达到50MBd,这也是目前光耦器件能达到的水平。
新的收发器正在向更低供电电压发展,特别是在噪声问题不是太大的控制领域。3V范围内的供电电压已经成为目前的标准。3V隔离器的实现能使设计师简化电压种类,并节省成本。
针对通信应用优化过的新一代光耦由于供电电压和整个电路板空间占用的灵活性而深受欢迎。安华高科技是全球唯一一家可以提供多通道和双向光耦以及能同时在3V和5V电压下工作的数字光耦的厂商。这一技术领导地位建立在称为后向散射的LED技术突破的基础之上。这些LED可以直接放置在各个输出IC的隔离材料上,从而有效缩小LED隔离光电二极管的物理尺寸,使每个封装最多可容纳4个通道。根据所选封装不同,这一技术能帮助用户节省75%以上的电路板面积。另外,低至2ns的光耦脉宽失真(PWD)指标仍是业界最好的。
LED技术的突破
未来基于以太网的通信将变得越来越重要。目前西门子公司正在欧洲力推ProfiNet,而EtherCat是Bechhoff公司支持的另外一个开放标准,两者都支持高达100Mbit/s的数据速率。目前的隔离是靠源自计算机以太网的变压器技术实现的,还没有用到光耦,主要是受新的速度要求限制。未来有可能使用新一代高速光耦和光纤解决方案。安华高科技刚刚发布了一款基于650nm LED技术的收发器,可使用1mm的聚合物光纤(POF)和200um的塑料包层光纤(PCF)。
工业以太网和已建立的现场总线至少还将共存10到15年,因此光耦将继续提供隔离功能,保证信号完整性,并在以后的工业通信领域发挥重要的作用。
安华高科技供稿
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