摘要

工業(yè)4.0為遠距離實(shí)現邊緣智能帶來(lái)了曙光，而10BASE-T1L以太網(wǎng)的數據線(xiàn)供電(PoDL)功能、高數據傳輸速率以及與以太網(wǎng)協(xié)議兼容也為未來(lái)發(fā)展鋪平了道路。本文介紹如何在自動(dòng)化和工業(yè)場(chǎng)景中集成新的10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標準，將控制器和用戶(hù)界面與端點(diǎn)（例如多個(gè)傳感器和執行器）連接起來(lái)，所有器件均使用標準以太網(wǎng)接口進(jìn)行雙向通信。

簡(jiǎn)介

10BASE-T1L是針對工業(yè)連接的物理層標準。它使用標準雙絞線(xiàn)電纜，數據速率高達10 Mbps，電力傳輸距離長(cháng)達1000米。低延遲和PoDL功能有助于實(shí)現對傳感器或執行器等器件的遠程控制。本文介紹如何實(shí)現一個(gè)能夠同步控制兩個(gè)或更多步進(jìn)電機的遠程主機系統，借此展示遠距離實(shí)時(shí)通信的能力。

系統概述

圖1是系統級應用的示意圖。在主機端，由ADIN1100和ADIN1200以太網(wǎng)PHY負責管理標準鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉換，而在遠程端，控制器通過(guò)ADIN1110以太網(wǎng)MAC-PHY與鏈路接口，只需要一個(gè)SPI外設來(lái)交換數據和命令。準確的同步運動(dòng)控制利用ADI Trinamic? TMC5160步進(jìn)電機控制器和驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現，這些器件可生成六點(diǎn)斜坡用于定位，而無(wú)需在控制器上進(jìn)行任何計算。選擇這些元器件還能降低對微控制器所用外設、計算能力和代碼大小的要求，從而支持使用更廣泛的商用產(chǎn)品。此外，在不超過(guò)預定功耗限制的情況下，整個(gè)遠程子系統可以直接由數據線(xiàn)供電；因此，只有媒介轉換器板需要提供本地電源。 

圖1.系統概覽。

系統硬件

該系統由四個(gè)不同的板組成：

?  EVAL-ADIN1100板具有ADIN1200 10BASE-T/100BASE-T PHY，與ADIN1100 10BASE-T1L PHY搭配使用，可以將消息從一種物理標準轉換為另一種物理標準。它可以針對不同的工作模式進(jìn)行配置。本項目使用標準模式15（媒介轉換器）。EVAL-ADIN1100板還集成了微控制器，用于執行媒介轉換所需的基本配置和讀取診斷信息。但是，它不能與發(fā)送和接收的消息交互；該板對通信完全透明。

?  EVAL-ADIN1110是遠程器件控制器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY通過(guò)10BASE-T1L鏈路接收數據，并通過(guò)SPI接口將數據傳輸到板載Cortex^?-M4微控制器進(jìn)行處理。該板還提供與Arduino Uno兼容的接頭，可利用這些接頭安裝擴展板以添加更多功能。

?  TMC5160擴展板是一款基于Arduino擴展板外形尺寸定制的開(kāi)發(fā)板。單個(gè)擴展板最多支持兩個(gè)TMC5160 SilentStepStick板，多個(gè)擴展板可以堆疊在一起以增加可控電機的最大數量。所有驅動(dòng)器共享相同的SPI時(shí)鐘和數據信號，但片選線(xiàn)保持獨立。這種配置支持兩種通信模式：如果片選線(xiàn)各自置為有效，則微控制器可以與單個(gè)控制器通信——例如配置運動(dòng)參數。相反，如果同時(shí)將多條片選線(xiàn)置為有效，則所有選定的驅動(dòng)器同時(shí)接收相同的命令。后一種模式主要用于運動(dòng)同步。該板還為StepStick提供了一些額外的輸入電容，以降低電機啟動(dòng)時(shí)的電流峰值，并使正常工作期間的電流曲線(xiàn)更加平滑。它允許使用PoDL為最多配有兩個(gè)NEMA17電機的整個(gè)系統供電（默認設置下，24 V時(shí)的最大傳輸功率為12 W）。該板還支持使用螺絲端子來(lái)簡(jiǎn)化與步進(jìn)電機的連接，使控制器的相位輸出更容易訪(fǎng)問(wèn)。

?  兩個(gè)EVAL-ADIN11X0EBZ板用于向系統添加PoDL功能，其中一個(gè)板用于媒介轉換器，另一個(gè)用于EVAL-ADIN1110EBZ。該板是一個(gè)插件模塊，可以安裝在評估板的MDI原型接頭上，并且可以配置為通過(guò)數據線(xiàn)提供和接收電力。 

圖2.裝配好的EVAL-ADIN1110、EVAL-ADIN11X0EBZ和TMC5160擴展板。

軟件

軟件代碼可供下載：利用10Base-T1L以太網(wǎng)進(jìn)行遠程運動(dòng)控制 - 代碼。

為了保持代碼的輕量化并有效減少通信開(kāi)銷(xiāo)，沒(méi)有在數據鏈路層之上實(shí)現標準通信協(xié)議。所有消息都是通過(guò)預定義固定格式的以太網(wǎng)幀的有效載荷字段進(jìn)行交換。數據被組織成46字節的數據段，一個(gè)數據段由2字節的固定報頭和44字節的數據字段組成。報頭包括：一個(gè)8位器件類(lèi)型字段，用于確定如何處理接收的數據；以及一個(gè)8位器件ID字段，如果存在多個(gè)相同類(lèi)型的器件，可以通過(guò)ID來(lái)選擇單個(gè)物理器件。 

圖3.通信協(xié)議格式。

主機接口采用Python編寫(xiě)，以確保與Windows和Linux主機兼容。以太網(wǎng)通信通過(guò)Scapy模塊進(jìn)行管理，該模塊允許在堆棧的每一層（包括以太網(wǎng)數據鏈路）創(chuàng )建、發(fā)送、接收和操作數據包。協(xié)議中定義的每種器件都有一個(gè)相應的類(lèi)，其中包括用于存儲要交換的數據的屬性，以及一組可用于修改這些屬性而不必直接編輯變量的方法。例如，若要在運動(dòng)控制器的速度模式下更改運動(dòng)方向，可以使用已定義的方法“setDirectionCW()”和“setDirectionCCW()”，而不必手動(dòng)為方向標志賦值0或1。每個(gè)類(lèi)還包括一個(gè)“packSegment()”方法，該方法根據所考慮的設備器件的預定義格式，以字節數組的形式打包并返回與受控器件對應的數據段。

固件利用ChibiOS環(huán)境以C語(yǔ)言編寫(xiě)，其中包括實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)、硬件抽象層(HAL)、外設驅動(dòng)程序等工具，使代碼可以在相似的微控制器之間輕松移植。項目基于三個(gè)自定義模塊：

?  ADIN1110.c是驅動(dòng)程序，用于支持通過(guò)SPI接口與ADIN1110交換數據和命令。它包括用于從器件寄存器讀取和寫(xiě)入數據的低級通信函數，以及用于發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀的高級函數。它還包括用于在10BASE-T1L收發(fā)器之間建立通信的函數。通知是否出現新幀的引腳在中斷時(shí)讀取，以盡量減少延遲。

?  TMC5160.c實(shí)現了控制TMC5160運動(dòng)控制器所需的全部函數，配置為以全功能運動(dòng)控制器模式運行。它實(shí)現了恒速和位置控制兩種模式，允許使用六點(diǎn)斜坡進(jìn)行平滑準確的定位。與多個(gè)運動(dòng)控制器的通信通過(guò)單條SPI總線(xiàn)和多條獨立的片選線(xiàn)實(shí)現。它還提供了一組函數和類(lèi)型定義來(lái)簡(jiǎn)化運動(dòng)同步。

?  Devices.c是從T1L鏈路接收的數據與連接到控制器的物理器件之間的接口。它包括與主機接口中定義的結構體類(lèi)似的結構體，并且具有在每次接收到帶有效數據的新幀時(shí)更新結構體的函數。此模塊還用于確定每次更新結構體時(shí)執行哪些操作，例如，哪個(gè)物理運動(dòng)控制器與在特定器件地址接收到的命令相關(guān)。 

圖4.固件流程圖。

系統亮點(diǎn)和驗證

該項目旨在演示如何在自動(dòng)化和工業(yè)場(chǎng)景中集成新的10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標準，將控制器和用戶(hù)界面與端點(diǎn)（例如多個(gè)傳感器和執行器）連接起來(lái)。此應用針對多個(gè)步進(jìn)電機的遠程實(shí)時(shí)控制，廣泛用于工業(yè)中的低功耗自動(dòng)化任務(wù)，但也可用于輕型機器人和數控機床，例如臺式3D打印機、臺式銑床和其他類(lèi)型的笛卡爾繪圖儀。此外，它還能擴展用于其他類(lèi)型的執行器和遠程控制器件。與具有類(lèi)似用途的現有接口相比，其主要優(yōu)點(diǎn)包括：

?  布線(xiàn)簡(jiǎn)單，只需要一根雙絞線(xiàn)。由于支持通過(guò)數據線(xiàn)供電，低功耗器件（如傳感器）可以直接借助此連接供電，從而進(jìn)一步減少所需的布線(xiàn)和連接器數量，并降低整體系統的復雜性、成本和重量。

?  使用PoDL標準的電力傳輸方式，通過(guò)數據線(xiàn)上疊加的直流電壓為連接到網(wǎng)絡(luò )的設備供電。這種耦合只需要使用無(wú)源元件就可以實(shí)現，接收端的電壓經(jīng)過(guò)濾波后，可以直接給器件或DC-DC轉換器供電，不需要整流。只要適當確定用于此類(lèi)耦合的元件大小，就可以實(shí)現一個(gè)高效率系統。本項目中使用評估板上安裝的標準元件，整體效率約為93%（采用24 V電源，總負載電流為200 mA）。然而，這一結果還有很大的改進(jìn)余地，事實(shí)上，大部分損耗是電源路徑上無(wú)源元件的電阻壓降造成的。

?  用途廣泛，既可用于最后一公里連接，也可用于端點(diǎn)連接。ADI 10BASE-T1L器件針對長(cháng)達1.7公里的距離進(jìn)行了測試。它們還支持菊花鏈連接，這對系統復雜性的影響很小。例如，使用ADIN2111雙端口低復雜度交換芯片可以設計集成菊花鏈功能的器件，使鏈路也適用于端點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。

?  易于與已集成以太網(wǎng)控制器的現有設備連接，包括個(gè)人電腦和筆記本電腦。數據幀遵循以太網(wǎng)數據鏈路標準，所有與以太網(wǎng)兼容的協(xié)議都可以在其之上實(shí)現，因此只需要一個(gè)媒介轉換器作為橋接器與標準以太網(wǎng)鏈路連接。例如，本項目中使用的評估板EVAL-ADIN1100可用作透明媒介轉換器的參考設計，它僅需要兩個(gè)以太網(wǎng)PHY和一個(gè)可選微控制器用于配置和調試。

?  高達10 Mbps的高數據速率，全雙工。此特性與菊花鏈拓撲（在其上可以實(shí)現基于工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議）相結合，使其可用于需要確定性傳輸延遲的實(shí)時(shí)應用。

?  根據應用的安全性和穩健性要求，收發(fā)器和媒介之間的隔離可以通過(guò)容性耦合或磁耦合實(shí)現。

我們對該系統進(jìn)行了多次測量以評估其性能。所有用于與ADIN1110收發(fā)器和TMC5160控制器通信的外設，都配置為使用標準硬件配置可達到的最大可能速度?？紤]到微控制器具有80 MHz系統時(shí)鐘，對于運動(dòng)控制器和ADIN1110收發(fā)器，SPI外設的數據速率分別設置為2.5 MHz和20 MHz。對于TMC5160，通過(guò)調整微控制器時(shí)鐘配置并向IC提供外部時(shí)鐘信號，SPI頻率可進(jìn)一步提高至8 MHz，而對于ADIN1110，數據手冊規定的上限值為25 MHz。

對延遲進(jìn)行評估，請求數據和收到應答幀之間的總時(shí)間大約為4 ms（500個(gè)樣本的平均值，使用Wireshark協(xié)議分析儀計算數據請求和相應應答的時(shí)間戳之間的差值測得）。我們還進(jìn)行了其他評估，以確定系統的哪些部分是導致此延遲的原因。結果表明，主要原因是RTOS的延時(shí)函數，其預留的最小延遲為1 ms，用于設置TMC5160的讀寫(xiě)操作間隔，而所需的延遲約為幾十納秒。這可以通過(guò)定義基于定時(shí)器的其他延遲函數來(lái)改進(jìn)，使延遲間隔可以更短。

導致延遲的第二個(gè)原因是用于接收幀的Scapy函數，調用此函數后至少需要3 ms的設置時(shí)間。在實(shí)際應用中，直接使用操作系統的網(wǎng)絡(luò )適配器驅動(dòng)程序來(lái)開(kāi)發(fā)接口，而不借助Scapy等第三方工具也能有所改進(jìn)。然而，這樣做也有一些缺點(diǎn)，包括會(huì )失去與不同操作系統的兼容性并增加代碼復雜度。 

圖5.電源路徑的簡(jiǎn)化方案。

通過(guò)切換GPIO并使用示波器測量高電平周期，可測得微控制器上實(shí)現回調的準確執行時(shí)間。實(shí)測執行時(shí)間包括讀取和解析接收到的幀以及向運動(dòng)控制器發(fā)送命令的函數執行時(shí)間。

表1.實(shí)測執行時(shí)間

第二組測量旨在評估使用PoDL為遠程器件供電時(shí)傳輸路徑上的功率損耗。我們用設置為不同電流的電子負載代替運動(dòng)控制器擴展板進(jìn)行測試，從0.1 A到0.5 A，步長(cháng)為100 mA，以確定哪些元件對功率損耗有較大影響，進(jìn)而確定如何改進(jìn)設計以實(shí)現更高的額定電流。

表2.系統效率

圖6.每個(gè)無(wú)源元件的功率損耗與電流的關(guān)系。

結果表明，橋式整流器和肖特基二極管D2是造成損耗的主要因素，兩者均用于極性反接保護。兩個(gè)元件可以用基于MOSFET晶體管和理想二極管控制器的類(lèi)似電路代替，以獲得更高的效率，同時(shí)也不會(huì )失去上述保護能力。在較高電流下，用于輸入和輸出電源濾波的耦合電感的直流電阻占主導地位，因此為了提高電流能力，還需使用具有更高額定電流的類(lèi)似電感。

結論

工業(yè)4.0正在推動(dòng)智能自動(dòng)化的發(fā)展。ADI Trinamic技術(shù)與ADIN1100、ADIN1110、10BASE-T1L收發(fā)器配合使用，有助于控制器對遠至1700米的傳感器和執行器實(shí)現遠程控制，而無(wú)需邊緣供電。通過(guò)可靠的遠程控制方法，可以輕松地在更遠距離實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機，而不必犧牲任何性能或速度。這些系統解決方案將助力工業(yè)轉型，有望進(jìn)一步縮短響應時(shí)間，充分提高性能。 

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Alessandro Leonardi是ADI米蘭分公司的客戶(hù)經(jīng)理。他擁有米蘭理工大學(xué)的電子工程學(xué)士和碩士學(xué)位。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的現場(chǎng)應用培訓生項目。

Giorgio Paganini目前正在米蘭理工大學(xué)攻讀電子工程學(xué)位。他作為Dynamis PRC（米蘭理工大學(xué)方程式學(xué)生團隊）的一員，參與了電子開(kāi)發(fā)項目

Fulvio Bagarelli于2017年加入ADI公司，擔任高級現場(chǎng)應用工程師，目前擔任現場(chǎng)技術(shù)主管一職。此前，Fulvio曾在凌力爾特（現為ADI公司的一部分）、Arrow Electronics和STMicroelectronics工作。他擁有意大利米蘭理工大學(xué)電子工程碩士學(xué)位，并擁有意大利SDA博科尼管理學(xué)院的高級管理人員工商管理碩士學(xué)位。