作者：Alessandro Leonardi, Giorgio Paganini, and Fulvio Bagarelli

? ? ? 工業4.0帶來了長距離邊緣智能的承諾，10BASE-T1L以太網憑借其數據線供電（PoDL）功能、高數據傳輸速率以及與基于以太網的協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以太網物理層標準集成到自動化和工業場景中，以連接控制器和用戶接口與端點，如多個傳感器和執行器，所有這些都使用標準以太網接口進行雙向通信。

10BASE-T1L是面向工業連接的物理層標準。它使用標準雙絞線電纜提供高達10 Mbps的數據速率和長達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行器等設備。本文介紹了如何實現一個由遠程主機組成的系統，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。

系統概況

首先，圖1顯示了系統級應用的示意圖。在主機端，標準鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉換由管理ADIN1100和ADIN1200以太網物理層，而在遠程端，控制器使用ADIN1110以太網MAC-PHY，只需要一個SPI外設來交換數據和命令。利用ADI Trinamic可實現精確、同步的運動控制TMC5160步進電機控制器和驅動器允許產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品。此外，在達到預定義的功耗限制時，整個遠程子系統可以直接由數據線供電，因此媒體轉換器板是唯一需要本地電源的模塊。

圖一。系統概述。

系統硬件

該系統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鏈路接收數據，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量。所有驅動器共享相同的SPI時鐘和數據信號，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。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據線供電和接收電源。

軟件

軟件代碼可供下載：10Base-T1L以太網遠程運動控制–代碼。

為了保持代碼的輕量級和最小化通信開銷，在數據鏈路層之上沒有實現標準的通信協議。所有消息都使用具有預定義固定格式的以太網幀的有效載荷字段進行交換。數據被組織成46字節的段，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位設備類型字段，用于確定如何處理接收到的數據；還包括一個8位設備ID字段，用于在出現更多相同類型的設備時選擇單個物理設備。

圖。通信協議格式。

主機接口是用Python編寫的，以確保與Windows和Linux主機兼容。使用Scapy模塊管理以太網通信，該模塊允許在堆棧的每一層創建、發送、接收和操作數據包，包括以太網數據鏈路。協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據的屬性，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，該方法根據所考慮的設備類型的預定義格式，以字節數組的形式打包并返回對應于受控設備的段。

固件使用ChibiOS環境用C編寫，其中包括實時操作系統（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交換數據和命令的驅動器。它包括從器件寄存器讀寫數據的低級通信功能，以及發送和接收以太網幀的高級功能。它還包括用于在10BASE-T1L收發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。實現了恒速和位置控制模式，允許通過六點斜坡實現平滑和精確的定位。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。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鏈路接收的數據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據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。

系統亮點和驗證

該項目旨在展示新的10BASE-T1L以太網物理層標準如何集成到自動化和工業場景中，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行器和遙控設備。與用于類似目的的現有接口相比，它的主要優點是：

簡化布線，只需要一根雙絞線。還可以在數據線上供電，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量，從而降低整個系統的復雜性、成本和重量。

PoDL標準使用疊加在數據線上的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，一旦接收器端的電壓經過濾波，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，可以實現高效率的系統。在本項目中，使用安裝在評估板上的標準元件可實現約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器件已經過測試，最遠可達1.7米，它們還支持菊花鏈連接，對系統復雜性的影響很小。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絡。

易于與已經集成了以太網控制器的現有設備接口，包括個人電腦和筆記本電腦。數據幀遵循以太網數據鏈路標準，所有以太網兼容的協議都可以在其上實現，因此只需要一個媒體轉換器作為與標準以太網鏈路的橋梁。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phy和一個可選的微控制器來進行配置和調試。

高數據速率，高達10 Mbps，全雙工。這與菊花鏈拓撲（基于工業以太網的協議可以在其上實施）相結合，使其能夠用于要求確定性傳輸延遲的實時應用中。

收發器與介質之間的隔離可以通過容性或磁性耦合來實現，具體取決于應用的安全性和魯棒性要求。

對該系統進行了多次測量以評估其性能。用于與ADIN1110收發器和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。考慮到微控制器的80 MHz系統時鐘，SPI外設的數據速率對于運動控制器設為2.5 MHz，對于ADIN1110收發器設為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，數據手冊規定的最大限值為25 MHz。

對于延遲，數據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協議分析器計算數據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，該函數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的網絡適配器驅動程序開發接口來改進，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。

在微控制器上實現的回調的精確執行時間是通過切換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送命令的功能。

表1。測量的執行時間

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更高的額定電流。

表二。系統效率

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圖。每個無源元件的功率損耗，作為電流的函數。

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。系統解決方案為工業轉型鋪平了道路，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