10BASE-T1L使智能現(xiàn)場(chǎng)儀表供電變得無痛

Michal Brychta和Michael Jackson

本博客說明了為什么這些設(shè)備正在突破這種傳統(tǒng)模擬接口可實(shí)現(xiàn)的界限。它還建議使用10BASE-T1L工業(yè)以太網(wǎng)MAC-PHY來克服這些限制，并大幅提高傳感器將過程信息傳送給控制器的數(shù)據(jù)速率。

估算4-20mA環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀器的功率預(yù)算

圖1顯示了具有HART接口的現(xiàn)場(chǎng)儀器的典型信號(hào)鏈（能夠以高達(dá)1200 bps的速率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信）。對(duì)于20mA的最大環(huán)路電流，假設(shè)使用工業(yè)電源（通常為24V），儀器可用的總功率理論上為480mW。

圖1 支持HART的4-20mA現(xiàn)場(chǎng)儀表的信號(hào)鏈功耗

但是，考慮到所示的壓降（電纜、保護(hù)電路）并允許在過程控制器的輸入端發(fā)出 5V 的信號(hào)，儀器端子處僅剩下 ~10 伏的電壓。由于傳感器信號(hào)傳輸所需的環(huán)路電流為16mA，因此僅為信號(hào)鏈組件供電4mA。這意味著實(shí)際功率預(yù)算僅為10 V * 4 mA = 40 mW，其（大約）如表1所示。

表1 4-20mA環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀器的功率預(yù)算

該表顯示，該儀器已經(jīng)將其功率預(yù)算推向極限，因此無法包含額外的功能。

10BASE-T1L 速度更快，功率更大

為傳感器和信號(hào)鏈組件供電的能力是擬用于現(xiàn)場(chǎng)儀器的任何通信接口的“必備”功能。10BASE-T1L滿足了這一要求，同時(shí)還支持高達(dá)10Mbps（比HART快幾個(gè)數(shù)量級(jí)）的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信，距離可達(dá)1公里。該標(biāo)準(zhǔn)允許高達(dá) 500mW 的功率輸出，在 9 區(qū)（本質(zhì)安全區(qū)域）的 A 類最小電源電壓為 0V。圖 2 顯示了連接到 10BASE-T1L 現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)的儀器和相關(guān)配電。

圖 2 使用 10BASE-T1L 現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)進(jìn)行電源和數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場(chǎng)儀表

采用500V電源供電時(shí)，9mW的功率為信號(hào)鏈元件，電流約為55mA，表2顯示了其分解過程。由于僅為傳感器和測(cè)量電路供電的功率為250mW，因此可以包括額外的特性和功能。

表 2 支持 10BASE-T1L 的現(xiàn)場(chǎng)儀器的功率預(yù)算

集成的 MAC-PHY 帶來更多的電源優(yōu)勢(shì)

通常，物理層收發(fā)器 （PHY） 將管理儀器工業(yè)通信協(xié)議的微控制器連接到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。然而，這種方法需要一個(gè)更高端（因此更高功率）的微控制器，它不僅能夠管理協(xié)議棧，還能夠管理介質(zhì)訪問控制（MAC）子層（確保設(shè)備遵循管理何時(shí)可以在共享網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上傳輸?shù)囊?guī)則）。更聰明的方法使用收發(fā)器，將MAC和PHY集成到單個(gè)封裝中，通過消除對(duì)微控制器管理MAC子層的要求來減輕微控制器的負(fù)擔(dān)。這種方法使儀器設(shè)計(jì)人員可以更自由地從更廣泛的低功耗微控制器中進(jìn)行選擇。

10BASE-T1L 以太網(wǎng) APL MAC-PHY 收發(fā)器支持區(qū)域分區(qū)

ADI公司的ADIN1110（圖3）采用具有高級(jí)物理層（APL）的10BASE-T1L，這是一種基于IEEE和IEC標(biāo)準(zhǔn)的雙線標(biāo)準(zhǔn)，適用于過程自動(dòng)化和危險(xiǎn)場(chǎng)所。此 MAC-PHY 應(yīng)用支持對(duì) Zone 0 中的低功耗現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行分區(qū)，通過 SPI 接口提供與主機(jī)處理器的以太網(wǎng)連接，同時(shí)僅消耗 42 mW 的功率。它還支持開放聯(lián)盟 10BASE-T1x MAC-PHY 串行接口，用于時(shí)鐘速度為 25 MHz 的全雙工 SPI 通信。

圖 3 ADIN1110 魯棒型、工業(yè)、低功耗 10BASE-T1L 以太網(wǎng) MAC-PHY

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表領(lǐng)域之外，在智能建筑應(yīng)用（HVAC 系統(tǒng)、消防安全系統(tǒng)、訪問控制、IP 攝像機(jī)、電梯系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)控）中，MAC-PHY 允許低功耗設(shè)備加入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

審核編輯：郭婷