http://m.casecurityhq.com 2023-07-06 17:55 來源:ADI
摘要
工業(yè)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(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化和工業(yè)場景中集成新的10BASE-T1L以太網物理層標準,將控制器和用戶界面與端點(例如多個傳感器和執(zhí)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(yè)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功能有助于實現對傳感器或執(zhí)行器等器件的遠程控制。本文介紹如何實現一個能夠同步控制兩個或更多步進電機的遠程主機系統(tǒng),借此展示遠距離實時通信的能力。
系統(tǒng)概述
圖1是系統(tǒng)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,控制器通過ADIN1110以太網MAC-PHY與鏈路接口,只需要一個SPI外設來交換數據和命令。準確的同步運動控制利用ADI Trinamic™ TMC5160步進電機控制器和驅動器來實現,這些器件可生成六點斜坡用于定位,而無需在控制器上進行任何計算。選擇這些元器件還能降低對微控制器所用外設、計算能力和代碼大小的要求,從而支持使用更廣泛的商用產品。此外,在不超過預定功耗限制的情況下,整個遠程子系統(tǒng)可以直接由數據線供電;因此,只有媒介轉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)由四個不同的板組成:
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,沒有在數據鏈路層之上實現標準通信協(xié)議。所有消息都是通過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(jié)的數據段,一個數據段由2字節(jié)的固定報頭和44字節(jié)的數據字段組成。報頭包括:一個8位器件類型字段,用于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(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(chuàng)建、發(fā)送、接收和操作數據包。協(xié)議中定義的每種器件都有一個相應的類,其中包括用于存儲要交換的數據的屬性,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(jié)數組的形式打包并返回與受控器件對應的數據段。
固件利用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)、外設驅動程序等工具,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:
圖4.固件流程圖。
系統(tǒng)亮點和驗證
該項目旨在演示如何在自動化和工業(yè)場景中集成新的10BASE-T1L以太網物理層標準,將控制器和用戶界面與端點(例如多個傳感器和執(zhí)行器)連接起來。此應用針對多個步進電機的遠程實時控制,廣泛用于工業(yè)中的低功耗自動化任務,但也可用于輕型機器人和數控機床,例如臺式3D打印機、臺式銑床和其他類型的笛卡爾繪圖儀。此外,它還能擴展用于其他類型的執(zhí)行器和遠程控制器件。與具有類似用途的現有接口相比,其主要優(yōu)點包括:
我們對該系統(tǒng)進行了多次測量以評估其性能。所有用于與ADIN1110收發(fā)器和TMC5160控制器通信的外設,都配置為使用標準硬件配置可達到的最大可能速度??紤]到微控制器具有80 MHz系統(tǒng)時鐘,對于運動控制器和ADIN1110收發(fā)器,SPI外設的數據速率分別設置為2.5 MHz和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(guī)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(xié)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,以確定系統(tǒng)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,用于設置TMC5160的讀寫操作間隔,而所需的延遲約為幾十納秒。這可以通過定義基于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于接收幀的Scapy函數,調用此函數后至少需要3 ms的設置時間。在實際應用中,直接使用操作系統(tǒng)的網絡適配器驅動程序來開發(fā)接口,而不借助Scapy等第三方工具也能有所改進。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現回調的準確執(zhí)行時間。實測執(zhí)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)送命令的函數執(zhí)行時間。
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系。
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,兩者均用于極性反接保護。兩個元件可以用基于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。
結論
工業(yè)4.0正在推動智能自動化的發(fā)展。ADI Trinamic技術與ADIN1100、ADIN1110、10BASE-T1L收發(fā)器配合使用,有助于控制器對遠至1700米的傳感器和執(zhí)行器實現遠程控制,而無需邊緣供電。通過可靠的遠程控制方法,可以輕松地在更遠距離實時控制步進電機,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)轉型,有望進一步縮短響應時間,充分提高性能。