作者：Alessandro Leonardi, Giorgio Paganini, and Fulvio Bagarelli

? ? ? 工業(yè)4.0帶來(lái)了長(zhǎng)距離邊緣智能的承諾，10BASE-T1L以太網(wǎng)憑借其數(shù)據(jù)線供電（PoDL）功能、高數(shù)據(jù)傳輸速率以及與基于以太網(wǎng)的協(xié)議的兼容性鋪平了前進(jìn)的道路。本文解釋了如何將新的10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)集成到自動(dòng)化和工業(yè)場(chǎng)景中，以連接控制器和用戶接口與端點(diǎn)，如多個(gè)傳感器和執(zhí)行器，所有這些都使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口進(jìn)行雙向通信。

10BASE-T1L是面向工業(yè)連接的物理層標(biāo)準(zhǔn)。它使用標(biāo)準(zhǔn)雙絞線電纜提供高達(dá)10 Mbps的數(shù)據(jù)速率和長(zhǎng)達(dá)1000米的電力傳輸。低延遲和PoDL功能允許遠(yuǎn)程控制傳感器或執(zhí)行器等設(shè)備。本文介紹了如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)由遠(yuǎn)程主機(jī)組成的系統(tǒng)，該主機(jī)同步控制兩個(gè)或多個(gè)步進(jìn)電機(jī)，從而展示遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通信的能力。

系統(tǒng)概況

首先，圖1顯示了系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用的示意圖。在主機(jī)端，標(biāo)準(zhǔn)鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉(zhuǎn)換由管理ADIN1100和ADIN1200以太網(wǎng)物理層，而在遠(yuǎn)程端，控制器使用ADIN1110以太網(wǎng)MAC-PHY，只需要一個(gè)SPI外設(shè)來(lái)交換數(shù)據(jù)和命令。利用ADI Trinamic可實(shí)現(xiàn)精確、同步的運(yùn)動(dòng)控制TMC5160步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器允許產(chǎn)生用于定位的六點(diǎn)斜坡，而不需要在控制器上進(jìn)行任何計(jì)算。選擇這些元件還可以降低對(duì)微控制器所用外設(shè)、計(jì)算能力和代碼大小的要求，從而允許使用各種商用產(chǎn)品。此外，在達(dá)到預(yù)定義的功耗限制時(shí)，整個(gè)遠(yuǎn)程子系統(tǒng)可以直接由數(shù)據(jù)線供電，因此媒體轉(zhuǎn)換器板是唯一需要本地電源的模塊。

圖一。系統(tǒng)概述。

系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)由四塊不同的板組成：

這EVAL-ADIN1100該板配有一個(gè)adin 1200 10 base-T/100ba se-T PHY，與ADIN1100 10BASE-T1L PHY配合使用，將消息從一種物理標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為另一種物理標(biāo)準(zhǔn)。它可以配置為不同的工作模式。在這個(gè)項(xiàng)目中，使用標(biāo)準(zhǔn)模式15（媒體轉(zhuǎn)換器）。EVAL-ADIN1100板還集成了一個(gè)微控制器，可執(zhí)行媒體轉(zhuǎn)換所需的基本配置，并讀取診斷信息。但是，它不能與發(fā)送和接收的消息進(jìn)行交互；該板對(duì)通信是完全透明的。

這EVAL-ADIN1110是遠(yuǎn)程設(shè)備控制器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY通過(guò)10BASE-T1L鏈路接收數(shù)據(jù)，并將其傳輸至板載Cortex?-M4微控制器通過(guò)SPI接口進(jìn)行處理。該板還提供Arduino Uno兼容接頭，可用于安裝屏蔽，為板增加功能。

TMC5160 shield是基于Arduino shield外形定制開(kāi)發(fā)的主板。單個(gè)屏蔽最多支持兩個(gè)TMC5160 SilentStepStick板，多個(gè)屏蔽可以堆疊在一起，以增加受控電機(jī)的最大數(shù)量。所有驅(qū)動(dòng)器共享相同的SPI時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)，但片選線路保持獨(dú)立。在這種配置下，可能有兩種通信模式：如果片選線路單獨(dú)置位，微控制器可以與單個(gè)控制器通信，例如配置運(yùn)動(dòng)參數(shù)。相反，通過(guò)同時(shí)斷言更多的芯片選擇線，所有選擇的驅(qū)動(dòng)器同時(shí)接收相同的命令。后一種模式主要用于運(yùn)動(dòng)同步目的。該板還為步進(jìn)桿提供一些額外的輸入電容，以降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流峰值，并在正常情況下平滑電流曲線。這允許使用PoDL為整個(gè)系統(tǒng)提供最多兩個(gè)NEMA17電機(jī)（默認(rèn)設(shè)置下，24 V時(shí)的最大傳輸功率為12 W）。該板還用于通過(guò)使用螺絲端子簡(jiǎn)化與步進(jìn)電機(jī)的連接，使控制器的相位輸出更容易接近。

兩塊EVAL-ADIN11X0EBZ板，一塊用于媒體轉(zhuǎn)換器，另一塊用于EVAL-ADIN1110EBZ，用于增加PoDL功能。該板是一個(gè)插件模塊，可以安裝在評(píng)估板的MDI原型設(shè)計(jì)接頭上，并且可以配置為從數(shù)據(jù)線供電和接收電源。

軟件

軟件代碼可供下載：10Base-T1L以太網(wǎng)遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制–代碼。

為了保持代碼的輕量級(jí)和最小化通信開(kāi)銷，在數(shù)據(jù)鏈路層之上沒(méi)有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。所有消息都使用具有預(yù)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(shù)據(jù)被組織成46字節(jié)的段，由2字節(jié)的固定報(bào)頭和44字節(jié)的數(shù)據(jù)字段組成。報(bào)頭包括一個(gè)8位設(shè)備類型字段，用于確定如何處理接收到的數(shù)據(jù)；還包括一個(gè)8位設(shè)備ID字段，用于在出現(xiàn)更多相同類型的設(shè)備時(shí)選擇單個(gè)物理設(shè)備。

圖。通信協(xié)議格式。

主機(jī)接口是用Python編寫(xiě)的，以確保與Windows和Linux主機(jī)兼容。使用Scapy模塊管理以太網(wǎng)通信，該模塊允許在堆棧的每一層創(chuàng)建、發(fā)送、接收和操作數(shù)據(jù)包，包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路。協(xié)議中定義的每種設(shè)備類型都有一個(gè)相應(yīng)的類，其中包括存儲(chǔ)要交換的數(shù)據(jù)的屬性，以及一組可用于修改這些屬性的方法，而不必直接編輯變量。例如，要在運(yùn)動(dòng)控制器的速度模式下更改運(yùn)動(dòng)方向，需要定義“setDirectionCW（）”和“setDirectionCW（）”方法，而不必手動(dòng)將0或1值賦給方向標(biāo)志。每個(gè)類還包括一個(gè)“packSegment（）”方法，該方法根據(jù)所考慮的設(shè)備類型的預(yù)定義格式，以字節(jié)數(shù)組的形式打包并返回對(duì)應(yīng)于受控設(shè)備的段。

固件使用ChibiOS環(huán)境用C編寫(xiě)，其中包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、硬件抽象層（HAL）和外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，允許代碼在類似的微控制器之間輕松移植。該項(xiàng)目基于三個(gè)定制模塊：

ADIN1110.c是用于通過(guò)SPI接口與ADIN1110交換數(shù)據(jù)和命令的驅(qū)動(dòng)器。它包括從器件寄存器讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的低級(jí)通信功能，以及發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀的高級(jí)功能。它還包括用于在10BASE-T1L收發(fā)器之間建立通信的功能。通知新幀是否可用的引腳在中斷時(shí)讀取，以最大限度地減少延遲。

TMC5160.c實(shí)現(xiàn)了控制TMC5160運(yùn)動(dòng)控制器所需的所有功能，配置為在全功能運(yùn)動(dòng)控制器模式下工作。實(shí)現(xiàn)了恒速和位置控制模式，允許通過(guò)六點(diǎn)斜坡實(shí)現(xiàn)平滑和精確的定位。與多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器的通信通過(guò)帶獨(dú)立片選線路的單條SPI總線實(shí)現(xiàn)。還提供了一組函數(shù)和類型定義來(lái)簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)同步。

Devices.c是從T1L鏈路接收的數(shù)據(jù)與連接到控制器的物理設(shè)備之間的接口。它包括與主機(jī)接口中定義的結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)，并在每次收到包含有效數(shù)據(jù)的新幀時(shí)更新這些結(jié)構(gòu)。該模塊還用于確定每次更新結(jié)構(gòu)時(shí)執(zhí)行哪些操作，例如，哪個(gè)物理運(yùn)動(dòng)控制器與在特定設(shè)備地址接收的命令相關(guān)。

系統(tǒng)亮點(diǎn)和驗(yàn)證

該項(xiàng)目旨在展示新的10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)如何集成到自動(dòng)化和工業(yè)場(chǎng)景中，以連接控制器和用戶界面與端點(diǎn)，如多個(gè)傳感器和執(zhí)行器。該應(yīng)用旨在遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制多個(gè)步進(jìn)電機(jī)，廣泛用于低功耗自動(dòng)化任務(wù)，也可用于輕型機(jī)器人和CNC機(jī)器，如臺(tái)式3D打印機(jī)、臺(tái)式銑床和其他類型的笛卡爾繪圖儀。然而，它的用例也可以擴(kuò)展到其他類型的執(zhí)行器和遙控設(shè)備。與用于類似目的的現(xiàn)有接口相比，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：

簡(jiǎn)化布線，只需要一根雙絞線。還可以在數(shù)據(jù)線上供電，這樣就可以通過(guò)這種連接直接為傳感器等低功耗器件供電，進(jìn)一步減少所需的布線和連接器數(shù)量，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本和重量。

PoDL標(biāo)準(zhǔn)使用疊加在數(shù)據(jù)線上的DC電壓為連接到的器件供電。這種類型的耦合只需使用無(wú)源元件即可實(shí)現(xiàn)，一旦接收器端的電壓經(jīng)過(guò)濾波，便可直接用于為器件或直流-DC轉(zhuǎn)換器供電，無(wú)需整流。通過(guò)正確確定用于這種類型耦合的組件的尺寸，可以實(shí)現(xiàn)高效率的系統(tǒng)。在本項(xiàng)目中，使用安裝在評(píng)估板上的標(biāo)準(zhǔn)元件可實(shí)現(xiàn)約93%的總效率（24 V電源和200 mA總負(fù)載電流）。然而，這一結(jié)果仍有很大的改進(jìn)余地，事實(shí)上，大部分損耗是由電源路徑上無(wú)源元件的阻性壓降造成的。

多功能性，因?yàn)樗捎糜谧詈笠挥⒗锖投它c(diǎn)連接。ADI公司的10BASE-T1L器件已經(jīng)過(guò)測(cè)試，最遠(yuǎn)可達(dá)1.7米，它們還支持菊花鏈連接，對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性的影響很小。例如，通過(guò)使用ADIN2111雙端口低復(fù)雜度開(kāi)關(guān)，可以設(shè)計(jì)集成菊花鏈功能的器件，使鏈路也適用于端點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

易于與已經(jīng)集成了以太網(wǎng)控制器的現(xiàn)有設(shè)備接口，包括個(gè)人電腦和筆記本電腦。數(shù)據(jù)幀遵循以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)，所有以太網(wǎng)兼容的協(xié)議都可以在其上實(shí)現(xiàn)，因此只需要一個(gè)媒體轉(zhuǎn)換器作為與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)鏈路的橋梁。例如，本項(xiàng)目中使用的EVAL-ADIN1100板可以用作透明媒體轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計(jì)，只需要兩個(gè)以太網(wǎng)phy和一個(gè)可選的微控制器來(lái)進(jìn)行配置和調(diào)試。

高數(shù)據(jù)速率，高達(dá)10 Mbps，全雙工。這與菊花鏈拓?fù)洌ɑ诠I(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議可以在其上實(shí)施）相結(jié)合，使其能夠用于要求確定性傳輸延遲的實(shí)時(shí)應(yīng)用中。

收發(fā)器與介質(zhì)之間的隔離可以通過(guò)容性或磁性耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體取決于應(yīng)用的安全性和魯棒性要求。

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了多次測(cè)量以評(píng)估其性能。用于與ADIN1110收發(fā)器和TMC5160控制器通信的所有外設(shè)均配置為標(biāo)準(zhǔn)硬件配置可達(dá)到的最大速度?？紤]到微控制器的80 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，SPI外設(shè)的數(shù)據(jù)速率對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)為2.5 MHz，對(duì)于ADIN1110收發(fā)器設(shè)為20 MHz。對(duì)于TMC5160，通過(guò)調(diào)整微控制器時(shí)鐘配置并向IC提供外部時(shí)鐘信號(hào)，SPI頻率可進(jìn)一步提高至8 MHz，而對(duì)于ADIN1110，數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的最大限值為25 MHz。

對(duì)于延遲，數(shù)據(jù)請(qǐng)求和應(yīng)答幀的接收之間的總時(shí)間估計(jì)為大約4 ms（500個(gè)樣本的平均值，使用Wireshark協(xié)議分析器計(jì)算數(shù)據(jù)請(qǐng)求和相應(yīng)應(yīng)答的時(shí)間戳之間的差異來(lái)測(cè)量）。進(jìn)行了額外的評(píng)估，以確定系統(tǒng)的哪些部分對(duì)這種延遲負(fù)責(zé)。結(jié)果表明，主要原因是RTOS提供的延遲功能，該功能允許1 ms的最小延遲，用于設(shè)置TMC5160的寫(xiě)和讀操作之間的間隔，而所需的延遲為幾十納秒的量級(jí)。這可以通過(guò)定義允許更短延遲間隔的不同的基于定時(shí)器的延遲函數(shù)來(lái)改善。

造成這種延遲的第二個(gè)原因是用于接收幀的Scapy函數(shù)，該函數(shù)在被調(diào)用后至少需要3 ms的建立時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，這可以通過(guò)直接使用操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)適配器驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)接口來(lái)改進(jìn)，而不是像Scapy這樣的第三方工具。然而，缺點(diǎn)包括失去與不同操作系統(tǒng)的兼容性和增加代碼復(fù)雜性。

圖。電源路徑的簡(jiǎn)化方案。

在微控制器上實(shí)現(xiàn)的回調(diào)的精確執(zhí)行時(shí)間是通過(guò)切換GPIO并用示波器測(cè)量高電平周期來(lái)測(cè)量的。測(cè)量的執(zhí)行時(shí)間包括用于讀取和解析接收到的幀以及向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送命令的功能。

表1。測(cè)量的執(zhí)行時(shí)間

第二組測(cè)量用于評(píng)估使用PoDL為遠(yuǎn)程設(shè)備供電時(shí)傳輸路徑上的功率損耗。通過(guò)用設(shè)置在不同電流下的電子負(fù)載替換運(yùn)動(dòng)控制器屏蔽進(jìn)行測(cè)試，從0.1 A到0.5 A，步進(jìn)為100 mA，以確定哪些元件對(duì)功率損耗有重大影響，從而確定如何改進(jìn)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)更高的額定電流。

表二。系統(tǒng)效率

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圖。每個(gè)無(wú)源元件的功率損耗，作為電流的函數(shù)。

結(jié)果表明，橋式整流器和肖特基二極管D2是損耗的主要來(lái)源，兩者都用于反極性保護(hù)。這兩個(gè)元件都可以用基于MOSFET晶體管和理想二極管控制器的類似電路來(lái)代替，以獲得更高的效率，而不會(huì)失去這種類型的保護(hù)。在較高電流下，用于輸入和輸出電源濾波的耦合電感的DC電阻的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，因此為了提高電流能力，還需要具有較高額定電流的類似電感。

結(jié)論

工業(yè)4.0正在拓展智能自動(dòng)化的邊界。ADI Trinamic技術(shù)與ADIN1100、ADIN1110和10BASE-T1L收發(fā)器配合使用，可在距離控制器1700米的范圍內(nèi)遠(yuǎn)程控制傳感器和執(zhí)行器，無(wú)需在邊緣供電。通過(guò)一種可靠的遠(yuǎn)程控制方法，步進(jìn)電機(jī)可以很容易地在更遠(yuǎn)距離進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，而不會(huì)犧牲任何性能或速度。系統(tǒng)解決方案為工業(yè)轉(zhuǎn)型鋪平了道路，這種轉(zhuǎn)型承諾前所未有的響應(yīng)時(shí)間和最大的性能。

審核編輯：黃飛