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作者：Alessandro Leonardi, Giorgio Paganini, and Fulvio Bagarelli
? ? ? 工業(yè)4.0帶來了長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的道路。本文解釋了如何將新的10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標準集成到自動化和工業(yè)場景中，以連接控制器和用戶接口與端點，如多個傳感器和執(zhí)行器，所有這些都使用標準以太網(wǎng)接口進行雙向通信。
10BASE-T1L是面向工業(yè)連接的物理層標準。它使用標準雙絞線電纜提供高達10 Mbps的數(shù)據(jù)速率和長達1000米的電力傳輸。低延遲和PoDL功能允許遠程控制傳感器或執(zhí)行器等設備。本文介紹了如何實現(xiàn)一個由遠程主機組成的系統(tǒng)，該主機同步控制兩個或多個步進電機，從而展示遠距離實時通信的能力。
系統(tǒng)概況
首先，圖1顯示了系統(tǒng)級應用的示意圖。在主機端，標準鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉換由管理ADIN1100和ADIN1200以太網(wǎng)物理層，而在遠程端，控制器使用ADIN1110以太網(wǎng)MAC-PHY，只需要一個SPI外設來交換數(shù)據(jù)和命令。利用ADI Trinamic可實現(xiàn)精確、同步的運動控制TMC5160步進電機控制器和驅動器允許產(chǎn)生用于定位的六點斜坡，而不需要在控制器上進行任何計算。選擇這些元件還可以降低對微控制器所用外設、計算能力和代碼大小的要求，從而允許使用各種商用產(chǎn)品。此外，在達到預定義的功耗限制時，整個遠程子系統(tǒng)可以直接由數(shù)據(jù)線供電，因此媒體轉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準轉換為另一種物理標準。它可以配置為不同的工作模式。在這個項目中，使用標準模式15（媒體轉換器）。EVAL-ADIN1100板還集成了一個微控制器，可執(zhí)行媒體轉換所需的基本配置，并讀取診斷信息。但是，它不能與發(fā)送和接收的消息進行交互；該板對通信是完全透明的。
這EVAL-ADIN1110是遠程設備控制器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY通過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SPI接口進行處理。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外形定制開發(fā)的主板。單個屏蔽最多支持兩個TMC5160 SilentStepStick板，多個屏蔽可以堆疊在一起，以增加受控電機的最大數(shù)量。所有驅動器共享相同的SPI時鐘和數(shù)據(jù)信號，但片選線路保持獨立。在這種配置下，可能有兩種通信模式：如果片選線路單獨置位，微控制器可以與單個控制器通信，例如配置運動參數(shù)。相反，通過同時斷言更多的芯片選擇線，所有選擇的驅動器同時接收相同的命令。后一種模式主要用于運動同步目的。該板還為步進桿提供一些額外的輸入電容，以降低電機啟動時的電流峰值，并在正常情況下平滑電流曲線。這允許使用PoDL為整個系統(tǒng)提供最多兩個NEMA17電機（默認設置下，24 V時的最大傳輸功率為12 W）。該板還用于通過使用螺絲端子簡化與步進電機的連接，使控制器的相位輸出更容易接近。
兩塊EVAL-ADIN11X0EBZ板，一塊用于媒體轉換器，另一塊用于EVAL-ADIN1110EBZ，用于增加PoDL功能。該板是一個插件模塊，可以安裝在評估板的MDI原型設計接頭上，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)遠程運動控制–代碼。
為了保持代碼的輕量級和最小化通信開銷，在數(shù)據(jù)鏈路層之上沒有實現(xiàn)標準的通信協(xié)議。所有消息都使用具有預定義固定格式的以太網(wǎng)幀的有效載荷字段進行交換。數(shù)據(jù)被組織成46字節(jié)的段，由2字節(jié)的固定報頭和44字節(jié)的數(shù)據(jù)字段組成。報頭包括一個8位設備類型字段，用于確定如何處理接收到的數(shù)據(jù)；還包括一個8位設備ID字段，用于在出現(xiàn)更多相同類型的設備時選擇單個物理設備。
圖。通信協(xié)議格式。
主機接口是用Python編寫的，以確保與Windows和Linux主機兼容。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)議中定義的每種設備類型都有一個相應的類，其中包括存儲要交換的數(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，要在運動控制器的速度模式下更改運動方向，需要定義“setDirectionCW（）”和“setDirectionCW（）”方法，而不必手動將0或1值賦給方向標志。每個類還包括一個“packSegment（）”方法，該方法根據(jù)所考慮的設備類型的預定義格式，以字節(jié)數(shù)組的形式打包并返回對應于受控設備的段。
固件使用ChibiOS環(huán)境用C編寫，其中包括實時操作系統(tǒng)（RTOS）、硬件抽象層（HAL）和外設驅動程序，允許代碼在類似的微控制器之間輕松移植。該項目基于三個定制模塊：
ADIN1110.c是用于通過SPI接口與ADIN1110交換數(shù)據(jù)和命令的驅動器。它包括從器件寄存器讀寫數(shù)據(jù)的低級通信功能，以及發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀的高級功能。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讀取，以最大限度地減少延遲。
TMC5160.c實現(xiàn)了控制TMC5160運動控制器所需的所有功能，配置為在全功能運動控制器模式下工作。實現(xiàn)了恒速和位置控制模式，允許通過六點斜坡實現(xiàn)平滑和精確的定位。與多個運動控制器的通信通過帶獨立片選線路的單條SPI總線實現(xiàn)。還提供了一組函數(shù)和類型定義來簡化運動同步。
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備之間的接口。它包括與主機接口中定義的結構相似的結構，并在每次收到包含有效數(shù)據(jù)的新幀時更新這些結構。該模塊還用于確定每次更新結構時執(zhí)行哪些操作，例如，哪個物理運動控制器與在特定設備地址接收的命令相關。
系統(tǒng)亮點和驗證
該項目旨在展示新的10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標準如何集成到自動化和工業(yè)場景中，以連接控制器和用戶界面與端點，如多個傳感器和執(zhí)行器。該應用旨在遠程實時控制多個步進電機，廣泛用于低功耗自動化任務，也可用于輕型機器人和CNC機器，如臺式3D打印機、臺式銑床和其他類型的笛卡爾繪圖儀。然而，它的用例也可以擴展到其他類型的執(zhí)行器和遙控設備。與用于類似目的的現(xiàn)有接口相比，它的主要優(yōu)點是：
簡化布線，只需要一根雙絞線。還可以在數(shù)據(jù)線上供電，這樣就可以通過這種連接直接為傳感器等低功耗器件供電，進一步減少所需的布線和連接器數(shù)量，從而降低整個系統(tǒng)的復雜性、成本和重量。
PoDL標準使用疊加在數(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源元件即可實現(xiàn)，一旦接收器端的電壓經(jīng)過濾波，便可直接用于為器件或直流-DC轉換器供電，無需整流。通過正確確定用于這種類型耦合的組件的尺寸，可以實現(xiàn)高效率的系統(tǒng)。在本項目中，使用安裝在評估板上的標準元件可實現(xiàn)約93%的總效率（24 V電源和200 mA總負載電流）。然而，這一結果仍有很大的改進余地，事實上，大部分損耗是由電源路徑上無源元件的阻性壓降造成的。
多功能性，因為它可用于最后一英里和端點連接。ADI公司的10BASE-T1L器件已經(jīng)過測試，最遠可達1.7米，它們還支持菊花鏈連接，對系統(tǒng)復雜性的影響很小。例如，通過使用ADIN2111雙端口低復雜度開關，可以設計集成菊花鏈功能的器件，使鏈路也適用于端點網(wǎng)絡。
易于與已經(jīng)集成了以太網(wǎng)控制器的現(xiàn)有設備接口，包括個人電腦和筆記本電腦。數(shù)據(jù)幀遵循以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路標準，所有以太網(wǎng)兼容的協(xié)議都可以在其上實現(xiàn)，因此只需要一個媒體轉換器作為與標準以太網(wǎng)鏈路的橋梁。例如，本項目中使用的EVAL-ADIN1100板可以用作透明媒體轉換器的參考設計，只需要兩個以太網(wǎng)phy和一個可選的微控制器來進行配置和調試。
高數(shù)據(jù)速率，高達10 Mbps，全雙工。這與菊花鏈拓撲（基于工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議可以在其上實施）相結合，使其能夠用于要求確定性傳輸延遲的實時應用中。
收發(fā)器與介質之間的隔離可以通過容性或磁性耦合來實現(xiàn)，具體取決于應用的安全性和魯棒性要求。
對該系統(tǒng)進行了多次測量以評估其性能。用于與ADIN1110收發(fā)器和TMC5160控制器通信的所有外設均配置為標準硬件配置可達到的最大速度?？紤]到微控制器的80 MHz系統(tǒng)時鐘，SPI外設的數(shù)據(jù)速率對于運動控制器設為2.5 MHz，對于ADIN1110收發(fā)器設為20 MHz。對于TMC5160，通過調整微控制器時鐘配置并向IC提供外部時鐘信號，SPI頻率可進一步提高至8 MHz，而對于ADIN1110，數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的最大限值為25 MHz。
對于延遲，數(shù)據(jù)請求和應答幀的接收之間的總時間估計為大約4 ms（500個樣本的平均值，使用Wireshark協(xié)議分析器計算數(shù)據(jù)請求和相應應答的時間戳之間的差異來測量）。進行了額外的評估，以確定系統(tǒng)的哪些部分對這種延遲負責。結果表明，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，用于設置TMC5160的寫和讀操作之間的間隔，而所需的延遲為幾十納秒的量級。這可以通過定義允許更短延遲間隔的不同的基于定時器的延遲函數(shù)來改善。
造成這種延遲的第二個原因是用于接收幀的Scapy函數(shù)，該函數(shù)在被調用后至少需要3 ms的建立時間。在實際應用中，這可以通過直接使用操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡適配器驅動程序開發(fā)接口來改進，而不是像Scapy這樣的第三方工具。然而，缺點包括失去與不同操作系統(tǒng)的兼容性和增加代碼復雜性。
圖。電源路徑的簡化方案。
在微控制器上實現(xiàn)的回調的精確執(zhí)行時間是通過切換GPIO并用示波器測量高電平周期來測量的。測量的執(zhí)行時間包括用于讀取和解析接收到的幀以及向運動控制器發(fā)送命令的功能。
表1。測量的執(zhí)行時間
第二組測量用于評估使用PoDL為遠程設備供電時傳輸路徑上的功率損耗。通過用設置在不同電流下的電子負載替換運動控制器屏蔽進行測試，從0.1 A到0.5 A，步進為100 mA，以確定哪些元件對功率損耗有重大影響，從而確定如何改進設計以實現(xiàn)更高的額定電流。
表二。系統(tǒng)效率
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圖。每個無源元件的功率損耗，作為電流的函數(shù)。
結果表明，橋式整流器和肖特基二極管D2是損耗的主要來源，兩者都用于反極性保護。這兩個元件都可以用基于MOSFET晶體管和理想二極管控制器的類似電路來代替，以獲得更高的效率，而不會失去這種類型的保護。在較高電流下，用于輸入和輸出電源濾波的耦合電感的DC電阻的貢獻占主導地位，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。
結論
工業(yè)4.0正在拓展智能自動化的邊界。ADI Trinamic技術與ADIN1100、ADIN1110和10BASE-T1L收發(fā)器配合使用，可在距離控制器1700米的范圍內遠程控制傳感器和執(zhí)行器，無需在邊緣供電。通過一種可靠的遠程控制方法，步進電機可以很容易地在更遠距離進行實時控制，而不會犧牲任何性能或速度。系統(tǒng)解決方案為工業(yè)轉型鋪平了道路，這種轉型承諾前所未有的響應時間和最大的性能。
審核編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
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