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

作者：ADI 公司 Richard Anslow，系統(tǒng)應(yīng)用工程師 | Dara O’Sullivan，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

簡介

在“為工業(yè)4.0啟用可靠的基于狀態(tài)的有線監(jiān)控——第1部分”一文中，我們介紹了ADI公司的有線接口解決方案，該方案幫助客戶縮短設(shè)計周期和測試時間，讓工業(yè)CbM解決方案更快地進入市場。本文探討了多個方面，包括選擇合適的MEMS加速度計和物理層，以及EMC性能和電源設(shè)計。此外，還包括第一部分介紹的三種設(shè)計解決方案和性能權(quán)衡。本文為第二部分，著重介紹第一部分展示的SPI至RS-485/RS-422設(shè)計解決方案的物理層設(shè)計考量。

為MEMS實現(xiàn)有線物理層接口的常見挑戰(zhàn)包括管理EMC可靠性和數(shù)據(jù)完整性。但是，在RS-485/RS-422長電纜上分布SPI之類的時鐘同步接口，同時在相同的雙絞線（虛假電源）上部署電源和數(shù)據(jù)時，會帶來更多挑戰(zhàn)。本文討論以下關(guān)鍵問題，并就物理層接口設(shè)計提供建議：

• 管理系統(tǒng)時間同步
• 推薦的數(shù)據(jù)速率與電纜長度
• 適用于共用電源和數(shù)據(jù)架構(gòu)的濾波器設(shè)計和仿真
• 虛假電源結(jié)構(gòu)中的無源元件性能權(quán)衡
• 元件選擇和系統(tǒng)設(shè)計窗口
• 試驗性測量

時間同步和電纜長度

設(shè)計SPI至RS-485/RS-422鏈路時，電纜和元件會影響系統(tǒng)時鐘和數(shù)據(jù)同步。在長電纜中傳輸時，SCLK信號會在電纜中產(chǎn)生傳播延遲，100米長的電纜會延遲約400ns到500 ns。對于MOSI數(shù)據(jù)傳輸，MOSI和SCLK會被電纜延遲同等時間。然而，從從機MISO發(fā)送到主機的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)兩倍傳播延遲，因而不再與SCLK同步?？赡艿淖畲骃PI SCLK基于系統(tǒng)傳播延遲設(shè)置，包括電纜傳播延遲，以及主機和從機元件傳播延遲。

圖1展示系統(tǒng)傳播延遲如何導(dǎo)致SPI主機上出現(xiàn)不準確的SPI MISO采樣。對于沒有采用RS-485/RS-422電纜的系統(tǒng)，MISO數(shù)據(jù)和SPI SCLK會以低延遲或無延遲同步。對于采用了電纜的系統(tǒng)，SPI從機上的MISO數(shù)據(jù)與SPI SCLK之間存在一個系統(tǒng)傳播延遲，如圖1中的tpd1所示?；氐街鳈C的MISO數(shù)據(jù)存在兩個系統(tǒng)傳播延遲，如tpd2所示。當(dāng)數(shù)據(jù)由于電纜和元件傳播延遲而右移時，會發(fā)生不準確的數(shù)據(jù)采樣。

圖1.采用與不采用RS-485/RS-422長電纜的系統(tǒng)的MISO數(shù)據(jù)和SPI SCLK同步。

為了防止出現(xiàn)不準確的MISO采樣，可以縮短電纜長度、降低SPI SCLK，或者在主控制器中實施SPI SCLK補償方案（時鐘相位偏移）。理論上，系統(tǒng)傳播延遲應(yīng)該小于SCLK時鐘周期的50%，以實現(xiàn)無錯通信；在實踐中，可以將系統(tǒng)延遲限值確定為SCLK的40%，這可以作為一般規(guī)則。

圖2針對1.1部分中描述的兩個SPI至RS-485/RS-422設(shè)計提供SPI SCLK和電纜長度指南。這種非隔離設(shè)計使用了ADI公司具備高速EMC穩(wěn)健性的小型RS-485/RS-422器件（ADM3066E和ADM4168E）。這種隔離設(shè)計還采用了ADI公司的iCoupler?信號和電源隔離ADuM5401器件，可以為SPI至RS-485/RS-422鏈路提供更高的EMC穩(wěn)健性和抗噪聲干擾性能。這種設(shè)計會增加系統(tǒng)傳播延遲，導(dǎo)致不可在更高的SPI SCLK速率下運行。在更長的電纜（超過30米）中傳輸時，強烈建議增加隔離，以幫助消除接地回路和EMC事件的影響，例如靜電放電（ESD）、電快速瞬變脈沖群（EFT），以及與數(shù)據(jù)傳輸電纜耦合的高壓浪涌。當(dāng)電纜長度達到或超過30米時，隔離和非隔離設(shè)計的SPI SCLK和電纜長度性能相似，如圖2所示。

圖2.針對隔離和非隔離設(shè)計的SPI SCLK和電纜長度指南。

虛假電源

背景知識

虛假電源將電源和數(shù)據(jù)部署在一根雙絞線上，在主機和從機之間實現(xiàn)單電纜解決方案。將數(shù)據(jù)和電源部署在同一根電纜上，可以在空間有限的邊緣傳感器節(jié)點上實現(xiàn)單連接器解決方案。

電源和數(shù)據(jù)通過電感電容網(wǎng)絡(luò)分布在單根雙絞線上，具體如圖3所示。高頻數(shù)據(jù)通過串聯(lián)電容與數(shù)據(jù)線路耦合，可以保護RS-485/RS-422收發(fā)器免受直流總線電壓影響，如圖3a所示。圖3所示為通過連接至數(shù)據(jù)線路的電感連接至主機控制器的電源。如圖3b所示，5V直流電源對交流數(shù)據(jù)總線實施偏置。在圖3c中，電流路徑顯示為從機和主機之間的IPWR，使用電纜遠端基于狀態(tài)監(jiān)控（CbM）的從機傳感器節(jié)點上電感從線路中獲取電源。

圖3.虛假電源物理層的交流和直流電壓電平。

高通濾波器

在本文中，假設(shè)將虛假電源電感電容網(wǎng)絡(luò)部署到兩根電纜中，這會部署SPI MISO信號的RS-485/RS-422轉(zhuǎn)換。圖4描述主機和從機SPI至RS-485/RS-422的設(shè)計，以及SPI MISO數(shù)據(jù)線的虛假電源濾波器電路。濾波器電路采用高通電纜，所以要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號不能包含直流內(nèi)容或極低頻率的內(nèi)容。

圖4.SPI至RS-485/RS-422設(shè)計和虛假電源濾波器電路。

圖5所示為二階高通濾波器電路，這是對圖4的簡化演示。RS-485/RS-422發(fā)射器的電壓輸出標記為VTX，R1具備15Ω輸出電阻。R2為30 kΩ，是RS-485/RS-422接收器的標準輸入電阻。電感（L）和電容（C）值可以選擇，以匹配所需的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率。

選擇電感（L）和電容（C）值時，需要考慮最大的RS-485/RS-422總線壓降和壓降時間，如圖6所示。存在一些標準，例如對于單根雙絞線以太網(wǎng)2，指出的最大可允許壓降和壓降時間如圖6a所示。對于有些系統(tǒng)，最大的可允許壓降和壓降時間值可能更大，受信號極性交越點限制，如圖6b所示。

壓降和壓降時間可與圖5中的仿真配對，以確定系統(tǒng)的高通頻率。

對于衰減出色的系統(tǒng)，高通濾波器截止頻率和壓降要求之間的關(guān)系如公式1.3所示

在SPI至RS-485/RS-422通信系統(tǒng)中增加虛假電源時，很顯然可允許的最低SPI SCLK速率會受虛假電源濾波器元件限制。

為了實現(xiàn)不含位錯誤的可靠通信，需要考慮最糟糕場景下的最低SPI SCLK，例如，當(dāng)所有的SPI MISO采樣位處于邏輯高電平時，如圖7所示。如果所有的MISO采樣位都處于邏輯高電平，會導(dǎo)致位數(shù)據(jù)數(shù)率低于系統(tǒng)SPI SCLK。例如，如果SPI SCLK為2 MHz，且所有16個位都處于邏輯高電平，那么虛假電源LC濾波器網(wǎng)絡(luò)的速率相當(dāng)于125 kHz的SPI MISO位數(shù)率。

如“時間同步和電纜長度”部分所示，電纜長度越長，需要的SPI SCLK速率越低。但是，虛假電源會限制最低的SPI SCLK速率。要平衡這些對立的要求，就需要小心選擇和確定無源濾波器元件的特性，尤其是電感。

圖5.RS-422發(fā)射數(shù)據(jù)路徑和RS-485/RS-422接收數(shù)據(jù)路徑的二階高通濾波器。

圖6.RS-422接收器的壓降和壓降時間。

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

無源元件選擇

在選擇合適的功率電感時，需要考慮許多參數(shù)，包括足夠的電感、額定/飽和電流、自諧振頻率（SRF）、低直流電阻（DCR）和封裝尺寸。表1提供選擇的功率電感和參數(shù)。

額定電流需要滿足或超過遠程供電的MEMS傳感器節(jié)點的總電流要求，額定飽和電流需要更大。

此電感不會給交流數(shù)據(jù)造成高于其SRF的高阻抗，在達到某個點之后，會開始呈現(xiàn)電容性阻抗特性。選擇的電感SRF會限制在SPI至RS-485/RS-422物理層上使用的最大SPI SCLK，如圖1所示。在長電纜上使用時，可能不會接觸到SRF電感；例如，電纜超過10米時，可能無法達到11 MHz SPI SCLK速率（產(chǎn)品型號為744043101的SRF）。在其他情況下，在長電纜上運行時，電感SRF可能達到更低的SPI SCLK速率（2.4 MHz、1.2 MHz）。如前所述，在虛假電源濾波器網(wǎng)絡(luò)中使用時，電感也會限制可允許的最低SCLK速率。

值更大的電感可以采用12.7 mm × 12.7 mm封裝，值更小的電感可以采用4.8 mm × 4.8 mm封裝。

表2顯示在通過權(quán)衡這些對立要求，以最小化電感尺寸時，會因為物理限制（內(nèi)部繞組）等受到限制。

選擇合適的直流電壓隔離電容時，受限因素包括瞬態(tài)過電壓額定值和直流電壓額定值。直流電壓額定值需要超過最大的總線電壓偏置值，具體如圖3所示。電路或連接器短路時，電感電流會失衡，會被端電極阻抗消耗。出現(xiàn)短路時，需要設(shè)置隔直電容的額定值，以實現(xiàn)峰值瞬態(tài)電壓。例如，在低功率系統(tǒng)中，電感飽和電流約為1 A時，對應(yīng)的隔直電容額定值至少為直流50 V。4

系統(tǒng)實現(xiàn)

設(shè)計窗口和元件選擇

在RS-485/RS-422長電纜上使用SPI之類的時鐘同步接口，同時在相同的雙絞線（虛假電源）上部署電源和數(shù)據(jù)時，存在多種設(shè)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(shè)置，即SPI數(shù)據(jù)線上的高通濾波器數(shù)據(jù)。最大的SPI SCLK由虛假電源電感自諧振頻率（SRF）或系統(tǒng)傳播延遲設(shè)置，以SPI SCLK值更低者為準。

圖8.設(shè)計窗口限制。

表3提供建議使用的電感和電容值，對應(yīng)的最小SPI SCLK通過模擬圖5確定，使用圖6和公式1作為指導(dǎo)。其中，假設(shè)VDROOP為VPEAK的99%。最小的SPI SCLK也會考慮最糟糕的場景，如圖7所示，其中所有數(shù)據(jù)突波位都處于邏輯高電平。對應(yīng)的電纜長度根據(jù)圖2預(yù)估。最大SPI SCLK由系統(tǒng)傳播延遲或電感SRF值設(shè)置。

下面是一個計算示例。

要確定最大SPI SCLK：

指明系統(tǒng)所需的電纜長度。在本例中，我們選擇使用10米長的RS-485/RS-422電纜。

使用圖2確定系統(tǒng)可允許的最大SPI SCLK。電纜10米長時，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，其中會在32 SCLK瞬態(tài)期間對16位SPI MISO數(shù)據(jù)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VTX上的方波為72 kHz時，可以使用多個L和C值來模擬電纜VRX遠端上的電壓波形。在電纜長度增加時，電感值和電感封裝尺寸會增加。電容值也會增加。
• L和C值的選擇可變，具體由所需的壓降設(shè)置決定，如圖6所示。在本例中，假設(shè)VDROOP = VPEAK × 99%。
• 在VTX上使用100 μH電感、3.3 μF電容和72 kHz方波時，會產(chǎn)生7 μs TDROOP，其中VDROOP = VPEAK × 99%。
• 6 μs至7 μs TDROOP相當(dāng)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，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(shè)置，這實際上是不可能的，例如，在11 MHz時在沒有時鐘補償?shù)南到y(tǒng)中使用100 μH （744043101）。

表3.各種虛假電源濾波器元件

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衰減系統(tǒng)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）。

實驗設(shè)置

圖10所示為ADI公司的有線CbM評估平臺，因此被稱為Pioneer 1。此系統(tǒng)使用第一部分所示的SPI至RS-485/RS-422設(shè)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(jié)合到一起，以簡化CbM系統(tǒng)中的智能傳感器節(jié)點開發(fā)。SPI至RS-485/RS-422從機將ADcmXL3021 SPI輸出通過10米電纜返回到主機控制器，以實施振動數(shù)據(jù)分析。SPI至RS-485設(shè)計使用虛假電源100 μH電感和3.3 μF電容來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9.增加更多系統(tǒng)衰減，以支持更大的電感和電容濾波器。

圖10.Pioneer 1基于狀態(tài)監(jiān)控的有線評估系統(tǒng)。

虛假電源線上的交流數(shù)據(jù)波形

圖11和表4顯示在SPI主機和從機上，以及在RS-485/RS-422差分電壓總線上測量的電壓。這些電壓使用圖10中的示例應(yīng)用設(shè)置測量。模擬信號1（黃色）和2（藍色）是表示MISO信號（紫色）的總線壓差，在SPI從機輸出端測量。數(shù)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，且無傳播延遲。

圖11.在SPI主機和從機上，以及在RS-422差分電壓總線上測量的電壓。

虛假電源線上的直流正確性

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(shù)據(jù)突波，之后空閑一段時間（最短16 μs），然后再發(fā)送另一個16位數(shù)據(jù)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總線電壓衰減回到穩(wěn)定的直流狀態(tài)。
• 空閑期直流穩(wěn)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，即可確保這個空閑狀態(tài)的正確性。
• 下一個幀起始（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(shù)據(jù)輸出決定。
• 空閑期RS-485/RS-422總線穩(wěn)定狀態(tài)不與SPI SCLK邊緣對應(yīng)，所以隨機噪聲不會影響這段時間內(nèi)的SPI MISO數(shù)據(jù)采樣。

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

uADcmXL3021 MISO輸出之后依次出現(xiàn)EOF、空閑期和SOF，在空閑期，總線電壓電平不會衰減回到500 mV最低直流穩(wěn)定狀態(tài)?？赡艹霈F(xiàn)一定的電壓電平衰減，但不會衰減到500 mV。

圖12.虛假電源線上的直流正確性。

有線評估解決方案

ADI公司開發(fā)出Pioneer 1有線系統(tǒng)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。

表5.適用于MEMS傳感器的有線評估解決方案

參考資料

1 Richard Anslow和Dara O’Sullivan。“為工業(yè)4.0啟用可靠的基于狀態(tài)的有線監(jiān)控——第1部分?！盇DI公司，2019年7月。

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

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

4 Andy Gardner?！癙oDL瞬時連接器和電纜短路。”凌力爾特，2014年9月。

作者簡介

Richard Anslow是ADI公司自動化與能源業(yè)務(wù)部互連運動和機器人團隊的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他的專長領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監(jiān)測和工業(yè)通信設(shè)計。他擁有愛爾蘭利默里克大學(xué)頒發(fā)的工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：richard.anslow@analog.com。

Dara O’Sullivan是ADI公司自動化與能源業(yè)務(wù)部互連運動和機器人團隊的系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理。他的專長領(lǐng)域是工業(yè)運動控制應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換、控制和監(jiān)測。Dara擁有愛爾蘭科克大學(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、咨詢和工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)與可再生能源應(yīng)用方面的工作。