摘要

工業4.0為遠距離實現邊緣智能帶來了曙光，而10BASE-T1L以太網的數據線供電(PoDL)功能、高數據傳輸速率以及與以太網協議兼容也為未來發展鋪平了道路。本文介紹如何在自動化和工業場景中集成新的10BASE-T1L以太網物理層標準，將控製器和用戶界麵與端點（例如多個傳感器和執行器）連接起來，所有器件均使用標準以太網接口進行雙向通信。

簡介

10BASE-T1L是針對工業連接的物理層標準。它使用標準雙絞線電纜，數據速率高達10 Mbps
，電力傳輸距離長達1000米。低延遲和PoDL功(gong)能(neng)有(you)助(zhu)於(yu)實(shi)現(xian)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)執(zhi)行(xing)器(qi)等(deng)器(qi)件(jian)的(de)遠(yuan)程(cheng)控(kong)製(zhi)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)如(ru)何(he)實(shi)現(xian)一(yi)個(ge)能(neng)夠(gou)同(tong)步(bu)控(kong)製(zhi)兩(liang)個(ge)或(huo)更(geng)多(duo)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)遠(yuan)程(cheng)主(zhu)機(ji)係(xi)統(tong)，借(jie)此(ci)展(zhan)示(shi)遠(yuan)距(ju)離(li)實(shi)時(shi)通(tong)信(xin)的(de)能(neng)力(li)。

係統概述

圖1是係統級應用的示意圖。在主機端，由ADIN1100和ADIN1200以太網PHY負責管理標準鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉換
，而在遠程端，控製器通過ADIN1110以太網MAC-PHY與鏈路接口，隻需要一個SPI外設來交換數據和命令。準確的同步運動控製利用ADI Trinamic™ TMC5160bujindianjikongzhiqihequdongqilaishixian，zhexieqijiankeshengchengliudianxiepoyongyudingwei，erwuxuzaikongzhiqishangjinxingrenhejisuan。xuanzezhexieyuanqijianhainengjiangdiduiweikongzhiqisuoyongwaishe
、計ji算suan能neng力li和he代dai碼ma大da小xiao的de要yao求qiu，從cong而er支zhi持chi使shi用yong更geng廣guang泛fan的de商shang用yong產chan品pin。此ci外wai，在zai不bu超chao過guo預yu定ding功gong耗hao限xian製zhi的de情qing況kuang下xia
，整zheng個ge遠yuan程cheng子zi係xi統tong可ke以yi直zhi接jie由you數shu據ju線xian供gong電dian；因此，隻有媒介轉換器板需要提供本地電源。

圖1.係統概覽。

係統硬件

該係統由四個不同的板組成：

• 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準轉換為另一種物理標準。它可以針對不同的工作模式進行配置。本項目使用標準模式15（媒介轉換器）。EVAL-ADIN1100板還集成了微控製器
  
  
  
  ，用於執行媒介轉換所需的基本配置和讀取診斷信息。但是
  ，它不能與發送和接收的消息交互；該板對通信完全透明。
• EVAL-ADIN1110是遠程器件控製器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY通過10BASE-T1L鏈路接收數據，並通過SPI接口將數據傳輸到板載Cortex®-M4微控製器進行處理。該板還提供與Arduino Uno兼容的接頭，可利用這些接頭安裝擴展板以添加更多功能。
• TMC5160擴展板是一款基於Arduino擴展板外形尺寸定製的開發板。單個擴展板最多支持兩個TMC5160 SilentStepStick板，多個擴展板可以堆疊在一起以增加可控電機的最大數量。所有驅動器共享相同的SPI時鍾和數據信號，但片選線保持獨立。這種配置支持兩種通信模式：如果片選線各自置為有效
  ，則微控製器可以與單個控製器通信——例(li)如(ru)配(pei)置(zhi)運(yun)動(dong)參(can)數(shu)。相(xiang)反(fan)，如(ru)果(guo)同(tong)時(shi)將(jiang)多(duo)條(tiao)片(pian)選(xuan)線(xian)置(zhi)為(wei)有(you)效(xiao)，則(ze)所(suo)有(you)選(xuan)定(ding)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)同(tong)時(shi)接(jie)收(shou)相(xiang)同(tong)的(de)命(ming)令(ling)。後(hou)一(yi)種(zhong)模(mo)式(shi)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)運(yun)動(dong)同(tong)步(bu)。該(gai)板(ban)還(hai)為(wei)StepStick提供了一些額外的輸入電容，以降低電機啟動時的電流峰值
  
  ，並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NEMA17電機的整個係統供電（默認設置下，24 V時的最大傳輸功率為12 W）。該板還支持使用螺絲端子來簡化與步進電機的連接，使控製器的相位輸出更容易訪問。
• 兩個EVAL-ADIN11X0EBZ板用於向係統添加PoDL功能，其中一個板用於媒介轉換器，另一個用於EVAL-ADIN1110EBZ。該板是一個插件模塊
  ，可以安裝在評估板的MDI原型接頭上，並且可以配置為通過數據線提供和接收電力。

圖2.裝配好的EVAL-ADIN1110、EVAL-ADIN11X0EBZ和TMC5160擴展板。

軟件

軟件代碼可供下載：利用10Base-T1L以太網進行遠程運動控製 - 代碼。

為(wei)了(le)保(bao)持(chi)代(dai)碼(ma)的(de)輕(qing)量(liang)化(hua)並(bing)有(you)效(xiao)減(jian)少(shao)通(tong)信(xin)開(kai)銷(xiao)，沒(mei)有(you)在(zai)數(shu)據(ju)鏈(lian)路(lu)層(ceng)之(zhi)上(shang)實(shi)現(xian)標(biao)準(zhun)通(tong)信(xin)協(xie)議(yi)。所(suo)有(you)消(xiao)息(xi)都(dou)是(shi)通(tong)過(guo)預(yu)定(ding)義(yi)固(gu)定(ding)格(ge)式(shi)的(de)以(yi)太(tai)網(wang)幀(zhen)的(de)有(you)效(xiao)載(zai)荷(he)字(zi)段(duan)進(jin)行(xing)交(jiao)換(huan)。數(shu)據(ju)被(bei)組(zu)織(zhi)成(cheng)46字節的數據段

，一個數據段由2字節的固定報頭和44字節的數據字段組成。報頭包括：一個8位器件類型字段，用於確定如何處理接收的數據；以及一個8位器件ID字段，如果存在多個相同類型的器件，可以通過ID來選擇單個物理器件。

圖3.通信協議格式。

主機接口采用Python編寫，以確保與Windows和Linux主機兼容。以太網通信通過Scapy模塊進行管理
，該模塊允許在堆棧的每一層（包括以太網數據鏈路）創建
、發送、jieshouhecaozuoshujubao。xieyizhongdingyidemeizhongqijiandouyouyigexiangyingdelei，qizhongbaokuoyongyucunchuyaojiaohuandeshujudeshuxing，yijiyizukeyongyuxiugaizhexieshuxingerbubizhijiebianjibianliangdefangfa。liru，ruoyaozaiyundongkongzhiqidesudumoshixiagenggaiyundongfangxiang


，keyishiyongyidingyidefangfa“setDirectionCW()”和“setDirectionCCW()”，而不必手動為方向標誌賦值0或1。每個類還包括一個“packSegment()”方法，該方法根據所考慮的設備器件的預定義格式，以字節數組的形式打包並返回與受控器件對應的數據段。

固件利用ChibiOS環境以C語言編寫
，其中包括實時操作係統(RTOS)
、硬件抽象層(HAL)
、外設驅動程序等工具，使代碼可以在相似的微控製器之間輕鬆移植。項目基於三個自定義模塊：

• ADIN1110.c是驅動程序，用於支持通過SPI接口與ADIN1110交jiao換huan數shu據ju和he命ming令ling。它ta包bao括kuo用yong於yu從cong器qi件jian寄ji存cun器qi讀du取qu和he寫xie入ru數shu據ju的de低di級ji通tong信xin函han數shu，以yi及ji用yong於yu發fa送song和he接jie收shou以yi太tai網wang幀zhen的de高gao級ji函han數shu。它ta還hai包bao括kuo用yong於yu在zai10BASE-T1L收發器之間建立通信的函數。通知是否出現新幀的引腳在中斷時讀取，以盡量減少延遲。
• TMC5160.c實現了控製TMC5160yundongkongzhiqisuoxudequanbuhanshu，peizhiweiyiquangongnengyundongkongzhiqimoshiyunxing。tashixianlehengsuheweizhikongzhiliangzhongmoshi
  ，yunxushiyongliudianxiepojinxingpinghuazhunquededingwei。yuduogeyundongkongzhiqidetongxintongguodantiaoSPI總線和多條獨立的片選線實現。它還提供了一組函數和類型定義來簡化運動同步。
• Devices.c是從T1L鏈(lian)路(lu)接(jie)收(shou)的(de)數(shu)據(ju)與(yu)連(lian)接(jie)到(dao)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)物(wu)理(li)器(qi)件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)接(jie)口(kou)。它(ta)包(bao)括(kuo)與(yu)主(zhu)機(ji)接(jie)口(kou)中(zhong)定(ding)義(yi)的(de)結(jie)構(gou)體(ti)類(lei)似(si)的(de)結(jie)構(gou)體(ti)，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)在(zai)每(mei)次(ci)接(jie)收(shou)到(dao)帶(dai)有(you)效(xiao)數(shu)據(ju)的(de)新(xin)幀(zhen)時(shi)更(geng)新(xin)結(jie)構(gou)體(ti)的(de)函(han)數(shu)。此(ci)模(mo)塊(kuai)還(hai)用(yong)於(yu)確(que)定(ding)每(mei)次(ci)更(geng)新(xin)結(jie)構(gou)體(ti)時(shi)執(zhi)行(xing)哪(na)些(xie)操(cao)作(zuo)
  ，例(li)如(ru)
  ，哪(na)個(ge)物(wu)理(li)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)器(qi)與(yu)在(zai)特(te)定(ding)器(qi)件(jian)地(di)址(zhi)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)命(ming)令(ling)相(xiang)關(guan)。

圖4.固件流程圖。

係統亮點和驗證

該項目旨在演示如何在自動化和工業場景中集成新的10BASE-T1L以太網物理層標準，將控製器和用戶界麵與端點（例如多個傳感器和執行器）連lian接jie起qi來lai。此ci應ying用yong針zhen對dui多duo個ge步bu進jin電dian機ji的de遠yuan程cheng實shi時shi控kong製zhi，廣guang泛fan用yong於yu工gong業ye中zhong的de低di功gong耗hao自zi動dong化hua任ren務wu
，但dan也ye可ke用yong於yu輕qing型xing機ji器qi人ren和he數shu控kong機ji床chuang
，例li如ru台tai式shi3D打印機

、台tai式shi銑xi床chuang和he其qi他ta類lei型xing的de笛di卡ka爾er繪hui圖tu儀yi。此ci外wai，它ta還hai能neng擴kuo展zhan用yong於yu其qi他ta類lei型xing的de執zhi行xing器qi和he遠yuan程cheng控kong製zhi器qi件jian。與yu具ju有you類lei似si用yong途tu的de現xian有you接jie口kou相xiang比bi，其qi主zhu要yao優you點dian包bao括kuo：

• 布線簡單，隻需要一根雙絞線。由於支持通過數據線供電，低功耗器件（如傳感器）可以直接借助此連接供電，從而進一步減少所需的布線和連接器數量，並降低整體係統的複雜性
  、成本和重量。
• 使用PoDLbiaozhundedianlichuanshufangshi，tongguoshujuxianshangdiejiadezhiliudianyaweilianjiedaowangluodeshebeigongdian。zhezhongouhezhixuyaoshiyongwuyuanyuanjianjiukeyishixian
  ，jieshouduandedianyajingguolvbohou
  ，keyizhijiegeiqijianhuoDC-DC轉zhuan換huan器qi供gong電dian，不bu需xu要yao整zheng流liu。隻zhi要yao適shi當dang確que定ding用yong於yu此ci類lei耦ou合he的de元yuan件jian大da小xiao，就jiu可ke以yi實shi現xian一yi個ge高gao效xiao率lv係xi統tong。本ben項xiang目mu中zhong使shi用yong評ping估gu板ban上shang安an裝zhuang的de標biao準zhun元yuan件jian
  ，整zheng體ti效xiao率lv約yue為wei93%（采用24 V電源，總負載電流為200 mA）。然而
  
  ，這一結果還有很大的改進餘地
  
  ，事實上
  ，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，既可用於最後一公裏連接，也可用於端點連接。ADI 10BASE-T1L器件針對長達1.7公裏的距離進行了測試。它們還支持菊花鏈連接
  ，這對係統複雜性的影響很小。例如，使用ADIN2111雙端口低複雜度交換芯片可以設計集成菊花鏈功能的器件，使鏈路也適用於端點網絡。
• yiyuyuyijichengyitaiwangkongzhiqidexianyoushebeilianjie，baokuogerendiannaohebijibendiannao。shujuzhenzunxunyitaiwangshujulianlubiaozhun
  ，suoyouyuyitaiwangjianrongdexieyidoukeyizaiqizhishangshixian
  ，yincizhixuyaoyigemeijiezhuanhuanqizuoweiqiaojieqiyubiaozhunyitaiwanglianlulianjie。liru，benxiangmuzhongshiyongdepinggubanEVAL-ADIN1100可用作透明媒介轉換器的參考設計，它僅需要兩個以太網PHY和一個可選微控製器用於配置和調試。
• 高達10 Mbps的高數據速率，全雙工。此特性與菊花鏈拓撲（在其上可以實現基於工業以太網的協議）相結合，使其可用於需要確定性傳輸延遲的實時應用。
• 根據應用的安全性和穩健性要求
  ，收發器和媒介之間的隔離可以通過容性耦合或磁耦合實現。

我們對該係統進行了多次測量以評估其性能。所有用於與ADIN1110收發器和TMC5160控製器通信的外設
，都配置為使用標準硬件配置可達到的最大可能速度。考慮到微控製器具有80 MHz係統時鍾，對於運動控製器和ADIN1110收發器，SPI外設的數據速率分別設置為2.5 MHz和20 MHz。對於TMC5160，通過調整微控製器時鍾配置並向IC提供外部時鍾信號，SPI頻率可進一步提高至8 MHz，而對於ADIN1110，數據手冊規定的上限值為25 MHz。

對延遲進行評估，請求數據和收到應答幀之間的總時間大約為4 ms（500個樣本的平均值，使用Wireshark協議分析儀計算數據請求和相應應答的時間戳之間的差值測得）。我們還進行了其他評估

，以確定係統的哪些部分是導致此延遲的原因。結果表明，主要原因是RTOS的延時函數，其預留的最小延遲為1 ms，用於設置TMC5160的讀寫操作間隔，而所需的延遲約為幾十納秒。這可以通過定義基於定時器的其他延遲函數來改進，使延遲間隔可以更短。

導致延遲的第二個原因是用於接收幀的Scapy函數，調用此函數後至少需要3 ms的設置時間。在實際應用中，直接使用操作係統的網絡適配器驅動程序來開發接口，而不借助Scapy等第三方工具也能有所改進。然而，這樣做也有一些缺點

，包括會失去與不同操作係統的兼容性並增加代碼複雜度。

圖5.電源路徑的簡化方案。

通過切換GPIO並(bing)使(shi)用(yong)示(shi)波(bo)器(qi)測(ce)量(liang)高(gao)電(dian)平(ping)周(zhou)期(qi)，可(ke)測(ce)得(de)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)上(shang)實(shi)現(xian)回(hui)調(tiao)的(de)準(zhun)確(que)執(zhi)行(xing)時(shi)間(jian)。實(shi)測(ce)執(zhi)行(xing)時(shi)間(jian)包(bao)括(kuo)讀(du)取(qu)和(he)解(jie)析(xi)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)幀(zhen)以(yi)及(ji)向(xiang)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)器(qi)發(fa)送(song)命(ming)令(ling)的(de)函(han)數(shu)執(zhi)行(xing)時(shi)間(jian)。

第二組測量旨在評估使用PoDL為遠程器件供電時傳輸路徑上的功率損耗。我們用設置為不同電流的電子負載代替運動控製器擴展板進行測試，從0.1 A到0.5 A，步長為100 mA
，以確定哪些元件對功率損耗有較大影響
，進而確定如何改進設計以實現更高的額定電流。

圖6.每個無源元件的功率損耗與電流的關係。

結果表明，橋式整流器和肖特基二極管D2是造成損耗的主要因素，兩者均用於極性反接保護。兩個元件可以用基於MOSFET晶(jing)體(ti)管(guan)和(he)理(li)想(xiang)二(er)極(ji)管(guan)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)類(lei)似(si)電(dian)路(lu)代(dai)替(ti)

，以(yi)獲(huo)得(de)更(geng)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)，同(tong)時(shi)也(ye)不(bu)會(hui)失(shi)去(qu)上(shang)述(shu)保(bao)護(hu)能(neng)力(li)。在(zai)較(jiao)高(gao)電(dian)流(liu)下(xia)

，用(yong)於(yu)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)源(yuan)濾(lv)波(bo)的(de)耦(ou)合(he)電(dian)感(gan)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)阻(zu)占(zhan)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)，因(yin)此(ci)為(wei)了(le)提(ti)高(gao)電(dian)流(liu)能(neng)力(li)
，還(hai)需(xu)使(shi)用(yong)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)的(de)類(lei)似(si)電(dian)感(gan)。

結論

工業4.0正在推動智能自動化的發展。ADI Trinamic技術與ADIN1100、ADIN1110、10BASE-T1L收發器配合使用，有助於控製器對遠至1700米(mi)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)執(zhi)行(xing)器(qi)實(shi)現(xian)遠(yuan)程(cheng)控(kong)製(zhi)，而(er)無(wu)需(xu)邊(bian)緣(yuan)供(gong)電(dian)。通(tong)過(guo)可(ke)靠(kao)的(de)遠(yuan)程(cheng)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)
，可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)地(di)在(zai)更(geng)遠(yuan)距(ju)離(li)實(shi)時(shi)控(kong)製(zhi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)
，而(er)不(bu)必(bi)犧(xi)牲(sheng)任(ren)何(he)性(xing)能(neng)或(huo)速(su)度(du)。這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)將(jiang)助(zhu)力(li)工(gong)業(ye)轉(zhuan)型(xing)，有(you)望(wang)進(jin)一(yi)步(bu)縮(suo)短(duan)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)，充(chong)分(fen)提(ti)高(gao)性(xing)能(neng)。