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——lirupeizhiyundongcanshu。xiangfan，ruguotongshijiangduotiaopianxuanxianzhiweiyouxiao
  ，zesuoyouxuandingdequdongqitongshijieshouxiangtongdemingling。houyizhongmoshizhuyaoyongyuyundongtongbu。gaibanhaiweiStepStick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cheng46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ADIN1110jiaohuanshujuhemingling。tabaokuoyongyucongqijianjicunqiduquhexierushujudedijitongxinhanshu，yijiyongyufasonghejieshouyitaiwangzhendegaojihanshu。tahaibaokuoyongyuzai10BASE-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）lianjieqilai。ciyingyongzhenduiduogebujindianjideyuanchengshishikongzhi，guangfanyongyugongyezhongdedigonghaozidonghuarenwu，danyekeyongyuqingxingjiqirenheshukongjichuang
，lirutaishi3D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-DCzhuanhuanqigongdian，buxuyaozhengliu。zhiyaoshidangquedingyongyucileiouhedeyuanjiandaxiao
  ，jiukeyishixianyigegaoxiaolvxitong。benxiangmuzhongshiyongpinggubanshanganzhuangdebiaozhunyuanjian
  ，zhengtixiaolvyuewei93%（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MOSFETjingtiguanhelixiangerjiguankongzhiqideleisidianludaiti，yihuodegenggaodexiaolv，tongshiyebuhuishiqushangshubaohunengli。zaijiaogaodianliuxia
，yongyushuruheshuchudianyuanlvbodeouhediangandezhiliudianzuzhanzhudaodiwei，yinciweiletigaodianliunengli

，haixushiyongjuyougenggaoedingdianliudeleisidiangan。

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)。