工業(yè)4.0為遠距離實現(xiàn)邊緣智慧帶來了曙光，而10BASE-T1L以太網(wǎng)絡(luò)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)絡(luò)協(xié)議兼容，也為未來發(fā)展鋪路。本文介紹如何在自動化和工業(yè)場景中整合新的10BASE-T1L以太網(wǎng)絡(luò)物理層標準，將控制器和用戶接口與端點（例如多個傳感器和執(zhí)行器）相連接，所有組件均使用標準以太網(wǎng)絡(luò)接口進行雙向通訊。
10BASE-T1L是針對工業(yè)連接的物理層標準。其使用標準雙絞線電纜，數(shù)據(jù)速率高達10 Mbps，電力傳輸距離長達1000公尺。低延遲和PoDL功能有助于實現(xiàn)對傳感器或執(zhí)行器等組件的遠程控制。本文介紹如何實現(xiàn)一個能夠同步控制兩個或更多步進馬達的遠程主機系統(tǒng)，借此展示遠距離實時通訊的能力。

系統(tǒng)概述
圖1是系統(tǒng)級應(yīng)用的示意圖。在主機端，由 ADIN1100 和 ADIN1200 以太網(wǎng)絡(luò)PHY負責(zé)管理標準鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉(zhuǎn)換，而在遠程，控制器透過 ADIN1110 以太網(wǎng)絡(luò)MAC-PHY與鏈路接口，只需要一個SPI周邊來交換數(shù)據(jù)和命令。準確的同步運動控制利用Trinamic TMC5160 步進馬達控制器和驅(qū)動器來實現(xiàn)，這些組件可產(chǎn)生六點斜坡用于定位，而無需在控制器上進行任何計算。選擇這些組件還能降低對微控制器所用周邊、計算能力和代碼大小的要求，進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，整個遠程子系統(tǒng)可以直接由數(shù)據(jù)線供電；因此，只有媒介轉(zhuǎn)換器板需要供應(yīng)區(qū)域電源。

 
圖1 : 系統(tǒng)概覽

系統(tǒng)硬件
該系統(tǒng)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，可以將訊息從一種物理標準轉(zhuǎn)換為另一種物理標準，其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(zhuǎn)換器）。EVAL-ADIN1100板并整合微控制器，用于執(zhí)行媒介轉(zhuǎn)換所需的基本配置和讀取診斷信息。但它不能與發(fā)送和接收的消息交互；該板對通訊完全透明。
●EVAL-ADIN1110是遠程組件控制器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY透過10BASE-T1L鏈路接收數(shù)據(jù)，并透過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨遢dCortex-M4微控制器進行處理；該板并提供與Arduino Uno兼容的接頭，可利用這些接頭安裝擴展板以增加更多功能。
●TMC5160擴展板為一款基于Arduino擴展板外型尺寸客制的開發(fā)板。單一擴展板最多支持兩個TMC5160 SilentStepStick板，多個擴展板可以堆棧在一起以增加可控馬達的最大數(shù)量。所有驅(qū)動器共享相同的SPI時鐘和數(shù)據(jù)訊號，但芯片選擇線保持獨立。
此種配置支持兩種通訊模式：如果芯片選擇線各自置為有效，則微控制器可以與單一控制器通訊，例如配置運動參數(shù)。相反，如果同時將多條芯片選擇線置為有效，則所有選定的驅(qū)動器同時接收相同的命令。后一種模式主要用于運動同步。該板還為StepStick提供了一些額外的輸入電容，以降低馬達啟動時的電流峰值，并使正常工作期間的電流曲線更加平滑。其允許使用PoDL為最多配有兩個NEMA17馬達的整個系統(tǒng)供電（默認設(shè)定下，24 V時的最大傳輸功率為12 W）。該板支持使用螺絲端子來簡化與步進馬達的連接，使控制器的相位輸出更容易存取。
●兩個EVAL-ADIN11X0EBZ板用于向系統(tǒng)增加PoDL功能，其中一個板用于媒介轉(zhuǎn)換器，另一個用于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，并且可以配置為透過數(shù)據(jù)線提供和接收電力。

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

軟件
為了保持代碼的輕量化并有效減少通訊開銷，沒有在數(shù)據(jù)鏈路層之上實現(xiàn)標準通訊協(xié)議。所有訊息都是透過預(yù)定義固定格式的以太網(wǎng)絡(luò)幀的有效載荷字段進行交換。數(shù)據(jù)被組織成46字節(jié)的數(shù)據(jù)段，一個數(shù)據(jù)段由2字節(jié)的固定標頭和44字節(jié)的數(shù)據(jù)字段組成。標頭包括：一個8位組件類型字段，用于確定如何處理接收的數(shù)據(jù)；以及一個8位組件ID字段，如果存在多個相同類型的組件，可以透過ID來選擇單一物理組件。

 
圖3 : 通訊協(xié)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(wǎng)絡(luò)通訊透過Scapy模塊進行管理，該模塊允許在堆棧的每一層（包括以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路）建立、發(fā)送、接收和運算數(shù)據(jù)包。
協(xié)議中定義的每種組件都有一個相應(yīng)的類別，其中包括用于儲存要交換的數(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，若要在運動控制器的速度模式下更改運動方向，可以使用已定義的方法 "setDirectionCW（）" 和 "setDirectionCCW（） "，而不必手動為方向標志賦值0或1。每個類別還包括一個"packSegment（）"方法，該方法根據(jù)所考慮的設(shè)備組件的預(yù)定義格式，以字節(jié)數(shù)組的形式打包并返回與受控組件對應(yīng)的數(shù)據(jù)段。
韌體利用ChibiOS環(huán)境以C語言編寫，其中包括實時操作系統(tǒng)（RTOS）、硬件抽象層（HAL）、周邊驅(qū)動程序等工具，使代碼可以在相似的微控制器之間輕松移植。項目基于三個自定義模塊：
? ADIN1110.c是驅(qū)動程序，用于支持透過SPI接口與ADIN1110交換數(shù)據(jù)和命令。其括用于從組件緩存器讀取和寫入數(shù)據(jù)的低層通訊函數(shù)，以及用于發(fā)送和接收以太網(wǎng)絡(luò)幀的高層級函數(shù)。其并包括用于在10BASE-T1L收發(fā)器之間建立通訊的函數(shù)。通知是否出現(xiàn)新幀的接腳在中斷時讀取，以盡量減少延遲。
? TMC5160.c實現(xiàn)了控制TMC5160運動控制器所需的全部函數(shù)，配置為以全功能運動控制器模式運行。其實現(xiàn)了恒速和位置控制兩種模式，允許使用六點斜坡進行平滑準確的定位。與多個運動控制器的通訊透過單條SPI總線和多條獨立的芯片選線實現(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組件之間的接口。其包括與主機接口中定義的結(jié)構(gòu)體類似的結(jié)構(gòu)體，并且具有在每次接收到具有效數(shù)據(jù)的新幀時更新結(jié)構(gòu)體的函數(shù)。此模塊還用于確定每次更新結(jié)構(gòu)體時執(zhí)行哪些操作，例如哪個物理運動控制器與在特定組件地址接收到的命令相關(guān)。

 
圖4 : 固件流程圖

系統(tǒng)亮點和驗證
該項目目的在展示如何在自動化和工業(yè)場景中整合新的10BASE-T1L以太網(wǎng)絡(luò)物理層標準，將控制器和用戶接口與端點（例如多個傳感器和執(zhí)行器）連接起來。此應(yīng)用針對多個步進馬達的遠程實時控制，廣泛用于工業(yè)中的低功耗自動化任務(wù)，但也可用于輕型機器人和數(shù)字控制機床，例如桌上型3D打印機、桌面式銑床和其他類型的笛卡爾繪圖儀。
此外，還能擴展用于其他類型的執(zhí)行器和遠程控制組件。相較于具有類似用途的現(xiàn)有接口，其主要特色包括：
? 布線簡單，只需要一根雙絞線。由于支持透過資料線供電，低功耗組件（如傳感器）可以直接借助此連接供電，進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標準的電力傳輸方式，透過數(shù)據(jù)在線迭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被動組件就可以實現(xiàn)，接收端的電壓經(jīng)過濾波后，可以直接為組件或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組件大小，就可以實現(xiàn)一個高效率系統(tǒng)。本項目中使用評估板上安裝的標準組件，整體效率約為93%（采用24 V電源，總負載電流為200 mA）。然而此一結(jié)果還有很大的改善空間，事實上，大部分損耗是電源路徑上被動組件的電阻壓降造成的。
? 用途廣泛，既可用于最后一哩路連接，也可用于端點連接。ADI 10BASE-T1L組件針對長達1.7公里的距離進行了測試。其并支持菊煉連接，這對系統(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)計整合菊煉功能的組件，使鏈路也適用于端點網(wǎng)絡(luò)。
? 易于與已整合以太網(wǎng)絡(luò)控制器的現(xiàn)有設(shè)備連接，包括個人計算機和筆記本電腦。數(shù)據(jù)幀遵循以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路標準，所有與以太網(wǎng)絡(luò)兼容的協(xié)議都可以在其之上實現(xiàn)，因此只需要一個媒介轉(zhuǎn)換器作為網(wǎng)橋與標準以太網(wǎng)絡(luò)鏈路連接。例如，本項目中使用的評估板EVAL-ADIN1100可用作透明媒介轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計，其僅需要兩個以太網(wǎng)絡(luò)PHY和一個可選微控制器用于配置和偵錯。
? 高達10 Mbps的高數(shù)據(jù)速率，全雙工。此特性與菊煉拓撲（在其上可以實現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議）相互結(jié)合，使其可用于需要確定性傳輸延遲的實時應(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透過兼容性耦合或磁耦合實現(xiàn)。

我們對該系統(tǒng)進行多次量測以評估其性能。所有用于與ADIN1110收發(fā)器和TMC5160控制器通訊的周邊，都配置為使用標準硬件配置可達到的最大可能速度?？紤]到微控制器具有80 MHz系統(tǒng)頻率，對于運動控制器和ADIN1110收發(fā)器，SPI周邊的數(shù)據(jù)速率分別設(shè)定為2.5 MHz和20 MHz。對于TMC5160，透過調(diào)整微控制器頻率配置并向IC提供外部頻率訊號，SPI頻率可進一步提高至8 MHz。
對延遲進行評估，請求數(shù)據(jù)和收到接收響應(yīng)幀之間的總時間大約為4 ms（500個樣本的平均值，使用Wireshark協(xié)議分析儀計算數(shù)據(jù)請求和相應(yīng)響應(yīng)的時間戳之間的差值測得）。我們還進行了其他評估，以確定系統(tǒng)的哪些部分是導(dǎo)致此延遲的原因。結(jié)果顯示，主要原因是RTOS的延時函數(shù)，其預(yù)留的最小延遲為1 ms，用于設(shè)定TMC5160的讀寫操作間隔，而所需的延遲約為幾十納秒（nanoseconds），這可以透過定義基于定時器的其他延遲函數(shù)來改進，使延遲間隔可以更短。
導(dǎo)致延遲的第二個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)定時間。在實際應(yīng)用中，直接使用操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)適配器驅(qū)動程序來開發(fā)接口，而不借助Scapy等第三方工具也能有所改善。然而，這樣做也有一些缺點，包括會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
透過切換GPIO并使用示波器測量高位準周期，可測得微控制器上實現(xiàn)回調(diào)的準確運行時間，至于實測運行時間，包括讀取和解析接收到的幀，以及向運動控制器發(fā)送命令的函數(shù)運行時間。

表1：實測運行時間

 
第二組量測旨在評估使用PoDL為遠程組件供電時傳輸路徑上的功率損耗。我們用設(shè)定為不同電流的電子負載取代運動控制器擴展板進行測試，從0.1 A到0.5 A，步長為100 mA，以確定哪些組件對功率損耗有較大影響，進而確定如何改善設(shè)計以實現(xiàn)更高的額定電流。

表2：系統(tǒng)效率

圖6 : 每個無源組件的功率損耗與電流的關(guān)系

結(jié)果顯示，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。兩個組件可以用基于MOSFET晶體管和理想二極管控制器的類似電路取代，以獲得更高的效率，同時也不會失去上述保護能力。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正推動著智慧自動化的發(fā)展。ADI Trinamic技術(shù)與ADIN1100、ADIN1110、10BASE-T1L收發(fā)器的搭配，有助于控制器對遠至1700公尺的傳感器和執(zhí)行器實現(xiàn)遠程控制，而無需邊緣供電。透過可靠的遠程控制方法，可以輕松在更遠距離實時控制步進馬達，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，可望進一步縮短響應(yīng)時間，充分提升性能。
（本文作者Alessandro Leonardi為ADI客戶經(jīng)理、Giorgio Paganini為米蘭理工大學(xué)學(xué)生、Fulvio Bagarelli 為ADI技術(shù)主管）