智慧節點(diǎn)的遠程運動(dòng)控制實(shí)現可靠的自動(dòng)化

工業(yè)4.0為遠距離實(shí)現邊緣智慧帶來(lái)了曙光，而10BASE-T1L以太網(wǎng)絡(luò )的數據線(xiàn)供電（PoDL）功能、高數據傳輸速率以及與以太網(wǎng)絡(luò )協(xié)議兼容，也為未來(lái)發(fā)展鋪路。本文介紹如何在自動(dòng)化和工業(yè)場(chǎng)景中整合新的10BASE-T1L以太網(wǎng)絡(luò )物理層標準，將控制器和用戶(hù)接口與端點(diǎn)（例如多個(gè)傳感器和執行器）相連接，所有組件均使用標準以太網(wǎng)絡(luò )接口進(jìn)行雙向通訊。
10BASE-T1L是針對工業(yè)連接的物理層標準。其使用標準雙絞線(xiàn)電纜，數據速率高達10 Mbps，電力傳輸距離長(cháng)達1000公尺。低延遲和PoDL功能有助于實(shí)現對傳感器或執行器等組件的遠程控制。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)馬達的遠程主機系統，借此展示遠距離實(shí)時(shí)通訊的能力。

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)絡(luò )PHY負責管理標準鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉換，而在遠程，控制器透過(guò) ADIN1110 以太網(wǎng)絡(luò )MAC-PHY與鏈路接口，只需要一個(gè)SPI周邊來(lái)交換數據和命令。準確的同步運動(dòng)控制利用Trinamic TMC5160 步進(jìn)馬達控制器和驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現，這些組件可產(chǎn)生六點(diǎn)斜坡用于定位，而無(wú)需在控制器上進(jìn)行任何計算。選擇這些組件還能降低對微控制器所用周邊、計算能力和代碼大小的要求，進(jìn)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供應區域電源。

 
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，可以將訊息從一種物理標準轉換為另一種物理標準，其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板并整合微控制器，用于執行媒介轉換所需的基本配置和讀取診斷信息。但它不能與發(fā)送和接收的消息交互；該板對通訊完全透明。
●EVAL-ADIN1110是遠程組件控制器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY透過(guò)10BASE-T1L鏈路接收數據，并透過(guò)SPI接口將數據傳輸到板載Cortex-M4微控制器進(jìn)行處理；該板并提供與Arduino Uno兼容的接頭，可利用這些接頭安裝擴展板以增加更多功能。
●TMC5160擴展板為一款基于A(yíng)rduino擴展板外型尺寸客制的開(kāi)發(fā)板。單一擴展板最多支持兩個(gè)TMC5160 SilentStepStick板，多個(gè)擴展板可以堆棧在一起以增加可控馬達的最大數量。所有驅動(dòng)器共享相同的SPI時(shí)鐘和數據訊號，但芯片選擇線(xiàn)保持獨立。
此種配置支持兩種通訊模式：如果芯片選擇線(xiàn)各自置為有效，則微控制器可以與單一控制器通訊，例如配置運動(dòng)參數。相反，如果同時(shí)將多條芯片選擇線(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，以降低馬達啟動(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。其允許使用PoDL為最多配有兩個(gè)NEMA17馬達的整個(gè)系統供電（默認設定下，24 V時(shí)的最大傳輸功率為12 W）。該板支持使用螺絲端子來(lái)簡(jiǎn)化與步進(jìn)馬達的連接，使控制器的相位輸出更容易存取。
●兩個(gè)EVAL-ADIN11X0EBZ板用于向系統增加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，并且可以配置為透過(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
為了保持代碼的輕量化并有效減少通訊開(kāi)銷(xiāo)，沒(méi)有在數據鏈路層之上實(shí)現標準通訊協(xié)議。所有訊息都是透過(guò)預定義固定格式的以太網(wǎng)絡(luò )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字節的固定標頭和44字節的數據字段組成。標頭包括：一個(gè)8位組件類(lèi)型字段，用于確定如何處理接收的數據；以及一個(gè)8位組件ID字段，如果存在多個(gè)相同類(lèi)型的組件，可以透過(guò)ID來(lái)選擇單一物理組件。

 
圖3 : 通訊協(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)絡(luò )通訊透過(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)絡(luò )數據鏈路）建立、發(fā)送、接收和運算數據包。
協(xié)議中定義的每種組件都有一個(gè)相應的類(lèi)別，其中包括用于儲存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)別還包括一個(gè)"packSegment（）"方法，該方法根據所考慮的設備組件的預定義格式，以字節數組的形式打包并返回與受控組件對應的數據段。
韌體利用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）、周邊驅動(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，用于支持透過(guò)SPI接口與ADIN1110交換數據和命令。其括用于從組件緩存器讀取和寫(xiě)入數據的低層通訊函數，以及用于發(fā)送和接收以太網(wǎng)絡(luò )幀的高層級函數。其并包括用于在10BASE-T1L收發(fā)器之間建立通訊的函數。通知是否出現新幀的接腳在中斷時(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。其實(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)控制器的通訊透過(guò)單條SPI總線(xiàn)和多條獨立的芯片選線(xiàn)實(shí)現。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組件之間的接口。其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具有效數據的新幀時(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)控制器與在特定組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
該項目目的在展示如何在自動(dòng)化和工業(yè)場(chǎng)景中整合新的10BASE-T1L以太網(wǎng)絡(luò )物理層標準，將控制器和用戶(hù)接口與端點(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)馬達的遠程實(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字控制機床，例如桌上型3D打印機、桌面式銑床和其他類(lèi)型的笛卡爾繪圖儀。
此外，還能擴展用于其他類(lèi)型的執行器和遠程控制組件。相較于具有類(lèi)似用途的現有接口，其主要特色包括：
? 布線(xiàn)簡(jiǎn)單，只需要一根雙絞線(xiàn)。由于支持透過(guò)資料線(xiàn)供電，低功耗組件（如傳感器）可以直接借助此連接供電，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，透過(guò)數據在線(xiàn)迭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被動(dòng)組件就可以實(shí)現，接收端的電壓經(jīng)過(guò)濾波后，可以直接為組件或DC-DC轉換器供電，不需要整流。只要適當確定用于此類(lèi)耦合的組件大小，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組件，整體效率約為93%（采用24 V電源，總負載電流為200 mA）。然而此一結果還有很大的改善空間，事實(shí)上，大部分損耗是電源路徑上被動(dòng)組件的電阻壓降造成的。
? 用途廣泛，既可用于最后一哩路連接，也可用于端點(diǎn)連接。ADI 10BASE-T1L組件針對長(cháng)達1.7公里的距離進(jìn)行了測試。其并支持菊煉連接，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整合菊煉功能的組件，使鏈路也適用于端點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。
? 易于與已整合以太網(wǎng)絡(luò )控制器的現有設備連接，包括個(gè)人計算機和筆記本電腦。數據幀遵循以太網(wǎng)絡(luò )數據鏈路標準，所有與以太網(wǎng)絡(luò )兼容的協(xié)議都可以在其之上實(shí)現，因此只需要一個(gè)媒介轉換器作為網(wǎng)橋與標準以太網(wǎng)絡(luò )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，其僅需要兩個(gè)以太網(wǎng)絡(luò )PHY和一個(gè)可選微控制器用于配置和偵錯。
? 高達10 Mbps的高數據速率，全雙工。此特性與菊煉拓撲（在其上可以實(shí)現基于工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議）相互結合，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透過(guò)兼容性耦合或磁耦合實(shí)現。

我們對該系統進(jìn)行多次量測以評估其性能。所有用于與ADIN1110收發(fā)器和TMC5160控制器通訊的周邊，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系統頻率，對于運動(dòng)控制器和ADIN1110收發(fā)器，SPI周邊的數據速率分別設定為2.5 MHz和20 MHz。對于TMC5160，透過(guò)調整微控制器頻率配置并向IC提供外部頻率訊號，SPI頻率可進(jìn)一步提高至8 MHz。
對延遲進(jìn)行評估，請求數據和收到接收響應幀之間的總時(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響應的時(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。結果顯示，主要原因是RTOS的延時(shí)函數，其預留的最小延遲為1 ms，用于設定TMC5160的讀寫(xiě)操作間隔，而所需的延遲約為幾十納秒（nanoseconds），這可以透過(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的設定時(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善。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
透過(guò)切換GPIO并使用示波器測量高位準周期，可測得微控制器上實(shí)現回調的準確運行時(shí)間，至于實(shí)測運行時(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)送命令的函數運行時(shí)間。

表1：實(shí)測運行時(shí)間

 
第二組量測旨在評估使用PoDL為遠程組件供電時(shí)傳輸路徑上的功率損耗。我們用設定為不同電流的電子負載取代運動(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，以確定哪些組件對功率損耗有較大影響，進(jìn)而確定如何改善設計以實(shí)現更高的額定電流。

表2：系統效率

圖6 : 每個(gè)無(wú)源組件的功率損耗與電流的關(guān)系

結果顯示，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)組件可以用基于MOSFET晶體管和理想二極管控制器的類(lèi)似電路取代，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正推動(dòng)著(zhù)智慧自動(dòng)化的發(fā)展。ADI Trinamic技術(shù)與ADIN1100、ADIN1110、10BASE-T1L收發(fā)器的搭配，有助于控制器對遠至1700公尺的傳感器和執行器實(shí)現遠程控制，而無(wú)需邊緣供電。透過(guò)可靠的遠程控制方法，可以輕松在更遠距離實(shí)時(shí)控制步進(jìn)馬達，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，可望進(jìn)一步縮短響應時(shí)間，充分提升性能。
（本文作者Alessandro Leonardi為ADI客戶(hù)經(jīng)理、Giorgio Paganini為米蘭理工大學(xué)學(xué)生、Fulvio Bagarelli 為ADI技術(shù)主管）