為工業(yè)4.0啟用可靠的基于狀態(tài)的有線(xiàn)監控 — 第2部分

系統實(shí)現

設計窗口和元件選擇

在RS-485/RS-422長(cháng)電纜上使用SPI之類(lèi)的時(shí)鐘同步接口，同時(shí)在相同的雙絞線(xiàn)（虛假電源）上部署電源和數據時(shí)，存在多種設計限制，具體如圖8所示?？稍试S的最小SPI SCLK由虛假電源濾波器元件設置，即SPI數據線(xiàn)上的高通濾波器數據。最大的SPI SCLK由虛假電源電感自諧振頻率(SRF)或系統傳播延遲設置，以SPI SCLK值更低者為準。

表3提供建議使用的電感和電容值，對應的最小SPI SCLK通過(guò)模擬圖5確定，使用圖6和公式1作為指導。其中，假設VDROOP為VPEAK的99%。最小的SPI SCLK也會(huì )考慮最糟糕的場(chǎng)景，如圖7所示，其中所有數據突波位都處于邏輯高電平。對應的電纜長(cháng)度根據圖2預估。最大SPI SCLK由系統傳播延遲或電感SRF值設置。

下面是一個(gè)計算示例。

要確定最大SPI SCLK：

◇   指明系統所需的電纜長(cháng)度。在本例中，我們選擇使用10米長(cháng)的RS-485/RS-422電纜。

◇   使用圖2確定系統可允許的最大SPI SCLK。電纜10米長(cháng)時(shí)，約采用2.6 MHz SPI SCLK。將最大SPI SCLK降低10%，以獲取LC元件容差，從而提供2.3 MHz SPI SCLK?？稍试S的最大SPI SCLK也可能受選擇的電感的SRF限制。

要確定最小SPI SCLK：

◆  考慮SPI協(xié)議，其中MISO線(xiàn)路上的所有位都處于邏輯高電平。在本例中，我們選擇使用16位SPI協(xié)議，其中會(huì )在32 SCLK瞬態(tài)期間對16位SPI MISO數據采樣。如果所有16位都處于邏輯高電平，那么有效位的速率為2.3 MHz / 32 = 72 kHz。

◆  按照圖5，在V_TX 上的方波為72 kHz時(shí)，可以使用多個(gè)L和C值來(lái)模擬電纜VRX遠端上的電壓波形。在電纜長(cháng)度增加時(shí)，電感值和電感封裝尺寸會(huì )增加。電容值也會(huì )增加。

◆   L和C值的選擇可變，具體由所需的壓降設置決定，如圖6所示。在本例中，假設 V_DROOP = VPEAK × 99%。

◆   在 V_TX 上使用100 μH電感、3.3 μF電容和72 kHz方波時(shí)，會(huì )產(chǎn)生7 μs T_DROOP ，其中V_DROOP = V_PEAK × 99%。

◆   6 μs至7 μs T_DROOP 相當于2.3 MHz至2.6 MHz SPI SCLK。

◆   如果選擇100 μH (744043101)電感，2.6 MHz SPI SCLK低于11 MHz電感SRF。

如果使用100 μH電感和3.3 μF電容，可以最大限度減小元件的PCB面積。使用更大的電感時(shí)，例如1000 μH或2200 μH，元件的PCB面積可能增大3倍。最大的SPI SCLK理論值由電感SRF設置，這實(shí)際上是不可能的，例如，在11 MHz時(shí)在沒(méi)有時(shí)鐘補償的系統中使用100 μH (744043101)。

如果使用更大的電感，例如2200 μH，網(wǎng)絡(luò )需要更多電容和電阻來(lái)衰減系統諧振。額外的元件用藍色表示，在圖9中標記為RDAMP (1 kΩ)和CDAMP (47 μF)。

圖7.具有MISO 16位突波（所有都處于邏輯高電平）的SPI協(xié)議。

實(shí)驗設置

圖10所示為ADI公司的有線(xiàn)CbM評估平臺，因此被稱(chēng)為Pioneer 1。此系統使用第一部分所示的SPI至RS-485/RS-422設計解決方案。Pioneer 1也包括 ADcmXL3021 寬帶寬、低噪聲、三軸MEMS加速度計，將高性能和多種信號處理功能結合到一起，以簡(jiǎn)化CbM系統中的智能傳感器節點(diǎn)開(kāi)發(fā)。SPI至RS-485/RS-422從機將ADcmXL3021 SPI輸出通過(guò)10米電纜返回到主機控制器，以實(shí)施振動(dòng)數據分析。SPI至RS-485設計使用虛假電源100 μH電感和3.3 μF電容來(lái)最小化從機接口解決方案的尺寸，該方案的大小為26 mm × 28 mm（不包括接口連接器）。

圖8.設計窗口限制。

虛假電源線(xiàn)上的交流數據波形

圖11和表4顯示在SPI主機和從機上，以及在RS-485/RS-422差分電壓總線(xiàn)上測量的電壓。這些電壓使用圖10中的示例應用設置測量。模擬信號1（黃色）和2（藍色）是表示MISO信號（紫色）的總線(xiàn)壓差，在SPI從機輸出端測量。數字信號4（黃色）顯示在主機控制器上采樣的MISO。SPI主機上的MISO信號與SPI從機上的MISO的極性和相位匹配，且無(wú)傳播延遲。

圖9.增加更多系統衰減，以支持更大的電感和電容濾波器。

虛假電源線(xiàn)上的直流正確性

圖12表示ADcmXL3021正常模式，其中包括SPI協(xié)議，該協(xié)議在MISO上發(fā)送16位數據突波，之后空閑一段時(shí)間（最短16 μs），然后再發(fā)送另一個(gè)16位數據突波。

在虛假電源網(wǎng)絡(luò )中，使用100 μH電感和3.3 μF電容：

○   在幀末尾(EOF)，RS-485/RS-422總線(xiàn)電壓衰減回到穩定的直流狀態(tài)。

○   空閑期直流穩定狀態(tài)要求差分電壓RS-422 B-A > 500 mV，用于反映ADcmXL3021 MISO高阻狀態(tài)，以及確保ADM4168E收發(fā)器輸出上提供邏輯0。如圖4中的濾波器電路所示，如果使用500 Ω電阻，即可確保這個(gè)空閑狀態(tài)的正確性。

○   下一個(gè)幀起始(SOF)將從低電平正確瞬變到高電平，或者保持低電平，具體由ADcmXL3021的MISO數據輸出決定。

○   空閑期RS-485/RS-422總線(xiàn)穩定狀態(tài)不與SPI SCLK邊緣對應，所以隨機噪聲不會(huì )影響這段時(shí)間內的SPI MISO數據采樣。

在虛假電源網(wǎng)絡(luò )中，使用1000 μH電感和4.7 μF電容：

○   ADcmXL3021 MISO輸出之后依次出現EOF、空閑期和SOF，在空閑期，總線(xiàn)電壓電平不會(huì )衰減回到500 mV最低直流穩定狀態(tài)?？赡艹霈F一定的電壓電平衰減，但不會(huì )衰減到500 mV。

圖10.Pioneer 1基于狀態(tài)監控的有線(xiàn)評估系統。

有線(xiàn)評估解決方案

ADI公司開(kāi)發(fā)出Pioneer 1有線(xiàn)系統評估解決方案，以支持ADcmXL3021三軸MEMS加速度計。如維基百科指南所述，Pioneer 1評估套件也可以利用擴展板，支持表5所示的MEMS器件。

圖11.在SPI主機和從機上，以及在RS-422差分電壓總線(xiàn)上測量的電壓。

參考資料

1 Richard Anslow和Dara O’Sullivan?！?nbsp;為工業(yè)4.0啟用可靠的基于狀態(tài)的有線(xiàn)監控 — 第1部分 。 ”ADI公司，2019年7月。

2 “ IEEE 802.3bu-2016 — IEEE以太網(wǎng)標準 — 修正案8：單根平衡雙絞線(xiàn)以太網(wǎng)由數據線(xiàn)供電(PoDL)的電線(xiàn)的物理層和管理參數 ?！盜EEE，2017年2月。

3 Andy Gardner?！?nbsp;PoDL：去耦網(wǎng)絡(luò )演示 。 ”凌力爾特，2014年5月。

4 Andy Gardner?！?nbsp;PoDL瞬時(shí)連接器和電纜短路 。 ”凌力爾特，2014年9月。

圖12.虛假電源線(xiàn)上的直流正確性。

作者簡(jiǎn)介

Richard Anslow是ADI公司自動(dòng)化與能源業(yè)務(wù)部互連運動(dòng)和機器人團隊的系統應用工程師。他的專(zhuān)長(cháng)領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監測和工業(yè)通信設計。他擁有愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)頒發(fā)的工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。

Dara O’Sullivan是ADI公司自動(dòng)化與能源業(yè)務(wù)部互連運動(dòng)和機器人團隊的系統應用經(jīng)理。他的專(zhuān)長(cháng)領(lǐng)域是工業(yè)運動(dòng)控制應用的功率轉換、控制和監測。Dara擁有愛(ài)爾蘭科克大學(xué)工程學(xué)士、工程碩士和博士學(xué)位。自2001年起，Dara便從事研究、咨詢(xún)和工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)與可再生能源應用方面的工作。