摘要

　　工業(yè)4.0為遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)邊緣智能帶來了曙光,，而10BASE-T1L以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)線供電（PoDL）功能、高數(shù)據(jù)傳輸速率以及與以太網(wǎng)協(xié)議兼容也為未來發(fā)展鋪平了道路,。本文介紹如何在自動(dòng)化和工業(yè)場景中集成新的10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn),，將控制器和用戶界面與端點(diǎn)（例如多個(gè)傳感器和執(zhí)行器）連接起來,，所有器件均使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口進(jìn)行雙向通信。

　　簡介

　　10BASE-T1L是針對(duì)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,，數(shù)據(jù)速率高達(dá)10 Mbps，電力傳輸距離長達(dá)1000米,。低延遲和PoDL功能有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器或執(zhí)行器等器件的遠(yuǎn)程控制,。本文介紹如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠同步控制兩個(gè)或更多步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程主機(jī)系統(tǒng)，借此展示遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通信的能力,。

　　系統(tǒng)概述

　　圖1是系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用的示意圖,。在主機(jī)端，由ADIN1100和ADIN1200以太網(wǎng)PHY負(fù)責(zé)管理標(biāo)準(zhǔn)鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉(zhuǎn)換,，而在遠(yuǎn)程端,，控制器通過ADIN1110以太網(wǎng)MAC-PHY與鏈路接口，只需要一個(gè)SPI外設(shè)來交換數(shù)據(jù)和命令,。準(zhǔn)確的同步運(yùn)動(dòng)控制利用ADI Trinamic? TMC5160步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn),，這些器件可生成六點(diǎn)斜坡用于定位，而無需在控制器上進(jìn)行任何計(jì)算,。選擇這些元器件還能降低對(duì)微控制器所用外設(shè),、計(jì)算能力和代碼大小的要求，從而支持使用更廣泛的商用產(chǎn)品,。此外,，在不超過預(yù)定功耗限制的情況下，整個(gè)遠(yuǎn)程子系統(tǒng)可以直接由數(shù)據(jù)線供電,；因此,，只有媒介轉(zhuǎn)換器板需要提供本地電源。

　　圖1.系統(tǒng)概覽,。

　　系統(tǒng)硬件

　　該系統(tǒng)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),。它可以針對(duì)不同的工作模式進(jìn)行配置,。本項(xiàng)目使用標(biāo)準(zhǔn)模式15（媒介轉(zhuǎn)換器）。EVAL-ADIN1100板還集成了微控制器,，用于執(zhí)行媒介轉(zhuǎn)換所需的基本配置和讀取診斷信息,。但是，它不能與發(fā)送和接收的消息交互,；該板對(duì)通信完全透明,。

　　▲EVAL-ADIN1110是遠(yuǎn)程器件控制器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY通過10BASE-T1L鏈路接收數(shù)據(jù),，并通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨遢dCortex?-M4微控制器進(jìn)行處理,。該板還提供與Arduino Uno兼容的接頭,，可利用這些接頭安裝擴(kuò)展板以添加更多功能。

　　▲TMC5160擴(kuò)展板是一款基于Arduino擴(kuò)展板外形尺寸定制的開發(fā)板,。單個(gè)擴(kuò)展板最多支持兩個(gè)TMC5160 SilentStepStick板，多個(gè)擴(kuò)展板可以堆疊在一起以增加可控電機(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),，但片選線保持獨(dú)立。這種配置支持兩種通信模式：如果片選線各自置為有效,，則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，如果同時(shí)將多條片選線置為有效,，則所有選定的驅(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。該板還為StepStick提供了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,，并使正常工作期間的電流曲線更加平滑。它允許使用PoDL為最多配有兩個(gè)NEMA17電機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)供電（默認(rèn)設(shè)置下,，24 V時(shí)的最大傳輸功率為12 W）,。該板還支持使用螺絲端子來簡化與步進(jìn)電機(jī)的連接，使控制器的相位輸出更容易訪問,。

　　▲兩個(gè)EVAL-ADIN11X0EBZ板用于向系統(tǒng)添加PoDL功能,，其中一個(gè)板用于媒介轉(zhuǎn)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(píng)估板的MDI原型接頭上，并且可以配置為通過數(shù)據(jù)線提供和接收電力,。

　　圖2.裝配好的EVAL-ADIN1110,、EVAL-ADIN11X0EBZ和TMC5160擴(kuò)展板。

　　軟件

　　軟件代碼可供下載：利用10Base-T1L以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制 - 代碼,。

　　為了保持代碼的輕量化并有效減少通信開銷,，沒有在數(shù)據(jù)鏈路層之上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。所有消息都是通過預(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)的數(shù)據(jù)段,，一個(gè)數(shù)據(jù)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位器件類型字段,，用于確定如何處理接收的數(shù)據(jù),；以及一個(gè)8位器件ID字段，如果存在多個(gè)相同類型的器件,，可以通過ID來選擇單個(gè)物理器件,。

　　圖3.通信協(xié)議格式,。

　　主機(jī)接口采用Python編寫，以確保與Windows和Linux主機(jī)兼容,。以太網(wǎng)通信通過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)數(shù)據(jù)鏈路）創(chuàng)建、發(fā)送,、接收和操作數(shù)據(jù)包,。協(xié)議中定義的每種器件都有一個(gè)相應(yīng)的類，其中包括用于存儲(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而不必直接編輯變量的方法,。例如，若要在運(yùn)動(dòng)控制器的速度模式下更改運(yùn)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(biāo)志賦值0或1。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)備器件的預(yù)定義格式,，以字節(jié)數(shù)組的形式打包并返回與受控器件對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段。

　　固件利用ChibiOS環(huán)境以C語言編寫,，其中包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）,、硬件抽象層（HAL）、外設(shè)驅(qū)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(xiàng)目基于三個(gè)自定義模塊：

　　▲ADIN1110.c是驅(qū)動(dòng)程序，用于支持通過SPI接口與ADIN1110交換數(shù)據(jù)和命令,。它包括用于從器件寄存器讀取和寫入數(shù)據(jù)的低級(jí)通信函數(shù),，以及用于發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀的高級(jí)函數(shù)。它還包括用于在10BASE-T1L收發(fā)器之間建立通信的函數(shù),。通知是否出現(xiàn)新幀的引腳在中斷時(shí)讀取,，以盡量減少延遲。

　　▲TMC5160.c實(shí)現(xiàn)了控制TMC5160運(yùn)動(dòng)控制器所需的全部函數(shù),，配置為以全功能運(yùn)動(dòng)控制器模式運(yùn)行,。它實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)確的定位,。與多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器的通信通過單條SPI總線和多條獨(dú)立的片選線實(shí)現(xiàn),。它還提供了一組函數(shù)和類型定義來簡化運(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器件之間的接口,。它包括與主機(jī)接口中定義的結(jié)構(gòu)體類似的結(jié)構(gòu)體,，并且具有在每次接收到帶有效數(shù)據(jù)的新幀時(shí)更新結(jié)構(gòu)體的函數(shù)。此模塊還用于確定每次更新結(jié)構(gòu)體時(shí)執(zhí)行哪些操作,，例如,，哪個(gè)物理運(yùn)動(dòng)控制器與在特定器件地址接收到的命令相關(guān),。

　　圖4.固件流程圖。

　　系統(tǒng)亮點(diǎn)和驗(yàn)證

　　該項(xiàng)目旨在演示如何在自動(dòng)化和工業(yè)場景中集成新的10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn),，將控制器和用戶界面與端點(diǎn)（例如多個(gè)傳感器和執(zhí)行器）連接起來,。此應(yīng)用針對(duì)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)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(jī)器人和數(shù)控機(jī)床,，例如臺(tái)式3D打印機(jī)、臺(tái)式銑床和其他類型的笛卡爾繪圖儀,。此外，它還能擴(kuò)展用于其他類型的執(zhí)行器和遠(yuǎn)程控制器件,。與具有類似用途的現(xiàn)有接口相比,，其主要優(yōu)點(diǎn)包括：

　　▲布線簡單，只需要一根雙絞線,。由于支持通過數(shù)據(jù)線供電,，低功耗器件（如傳感器）可以直接借助此連接供電，從而進(jìn)一步減少所需的布線和連接器數(shù)量,，并降低整體系統(tǒng)的復(fù)雜性,、成本和重量。

　　▲使用PoDL標(biāo)準(zhǔn)的電力傳輸方式,，通過數(shù)據(jù)線上疊加的直流電壓為連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備供電,。這種耦合只需要使用無源元件就可以實(shí)現(xiàn)，接收端的電壓經(jīng)過濾波后,，可以直接給器件或DC-DC轉(zhuǎn)換器供電,，不需要整流。只要適當(dāng)確定用于此類耦合的元件大小,，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效率系統(tǒng),。本項(xiàng)目中使用評(píng)估板上安裝的標(biāo)準(zhǔn)元件，整體效率約為93%（采用24 V電源,，總負(fù)載電流為200 mA）,。然而，這一結(jié)果還有很大的改進(jìn)余地,，事實(shí)上,，大部分損耗是電源路徑上無源元件的電阻壓降造成的。

　　▲用途廣泛,，既可用于最后一公里連接,，也可用于端點(diǎn)連接。ADI 10BASE-T1L器件針對(duì)長達(dá)1.7公里的距離進(jìn)行了測試,。它們還支持菊花鏈連接,，這對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性的影響很小,。例如，使用ADIN2111雙端口低復(fù)雜度交換芯片可以設(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),。

　　▲易于與已集成以太網(wǎng)控制器的現(xiàn)有設(shè)備連接，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),，所有與以太網(wǎng)兼容的協(xié)議都可以在其之上實(shí)現(xiàn)，因此只需要一個(gè)媒介轉(zhuǎn)換器作為橋接器與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)鏈路連接,。例如,，本項(xiàng)目中使用的評(píng)估板EVAL-ADIN1100可用作透明媒介轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計(jì)，它僅需要兩個(gè)以太網(wǎng)PHY和一個(gè)可選微控制器用于配置和調(diào)試,。

　　▲高達(dá)10 Mbps的高數(shù)據(jù)速率,，全雙工。此特性與菊花鏈拓?fù)洌ㄔ谄渖峡梢詫?shí)現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議）相結(jié)合,，使其可用于需要確定性傳輸延遲的實(shí)時(shí)應(yīng)用,。

　　▲根據(jù)應(yīng)用的安全性和穩(wěn)健性要求，收發(fā)器和媒介之間的隔離可以通過容性耦合或磁耦合實(shí)現(xiàn),。

　　我們對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了多次測量以評(píng)估其性能,。所有用于與ADIN1110收發(fā)器和TMC5160控制器通信的外設(shè)，都配置為使用標(biāo)準(zhǔn)硬件配置可達(dá)到的最大可能速度,?？紤]到微控制器具有80 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制器和ADIN1110收發(fā)器,，SPI外設(shè)的數(shù)據(jù)速率分別設(shè)置為2.5 MHz和20 MHz,。對(duì)于TMC5160，通過調(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)定的上限值為25 MHz,。

　　對(duì)延遲進(jìn)行評(píng)估,，請(qǐng)求數(shù)據(jù)和收到應(yīng)答幀之間的總時(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(jì)算數(shù)據(jù)請(qǐng)求和相應(yīng)應(yīng)答的時(shí)間戳之間的差值測得）,。我們還進(jìn)行了其他評(píng)估,，以確定系統(tǒng)的哪些部分是導(dǎo)致此延遲的原因。結(jié)果表明,，主要原因是RTOS的延時(shí)函數(shù),，其預(yù)留的最小延遲為1 ms，用于設(shè)置TMC5160的讀寫操作間隔，而所需的延遲約為幾十納秒,。這可以通過定義基于定時(shí)器的其他延遲函數(shù)來改進(jìn),，使延遲間隔可以更短。

　　導(dǎo)致延遲的第二個(gè)原因是用于接收幀的Scapy函數(shù),，調(diào)用此函數(shù)后至少需要3 ms的設(shè)置時(shí)間,。在實(shí)際應(yīng)用中，直接使用操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)適配器驅(qū)動(dòng)程序來開發(fā)接口,，而不借助Scapy等第三方工具也能有所改進(jìn),。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(tǒng)的兼容性并增加代碼復(fù)雜度,。

　　圖5.電源路徑的簡化方案。

　　通過切換GPIO并使用示波器測量高電平周期,，可測得微控制器上實(shí)現(xiàn)回調(diào)的準(zhǔn)確執(zhí)行時(shí)間,。實(shí)測執(zhí)行時(shí)間包括讀取和解析接收到的幀以及向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送命令的函數(shù)執(zhí)行時(shí)間。

　　第二組測量旨在評(píng)估使用PoDL為遠(yuǎn)程器件供電時(shí)傳輸路徑上的功率損耗,。我們用設(shè)置為不同電流的電子負(fù)載代替運(yùn)動(dòng)控制器擴(kuò)展板進(jìn)行測試,，從0.1 A到0.5 A,，步長為100 mA,，以確定哪些元件對(duì)功率損耗有較大影響，進(jìn)而確定如何改進(jìn)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)更高的額定電流,。

　　圖6.每個(gè)無源元件的功率損耗與電流的關(guān)系,。

　　結(jié)果表明，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(hù),。兩個(gè)元件可以用基于MOSFET晶體管和理想二極管控制器的類似電路代替，以獲得更高的效率,，同時(shí)也不會(huì)失去上述保護(hù)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(dǎo)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似電感。

　　結(jié)論

　　工業(yè)4.0正在推動(dòng)智能自動(dòng)化的發(fā)展,。ADI Trinamic技術(shù)與ADIN1100,、ADIN1110、10BASE-T1L收發(fā)器配合使用,，有助于控制器對(duì)遠(yuǎn)至1700米的傳感器和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,，而無需邊緣供電。通過可靠的遠(yuǎn)程控制方法，可以輕松地在更遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī),，而不必犧牲任何性能或速度,。這些系統(tǒng)解決方案將助力工業(yè)轉(zhuǎn)型，有望進(jìn)一步縮短響應(yīng)時(shí)間,，充分提高性能,。

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