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™ TMC5160步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)驅(qu)動(dong)器(qi)來(lai)實(shi)現(xian)，這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)可(ke)生(sheng)成(cheng)六(liu)點(dian)斜(xie)坡(po)用(yong)於(yu)定(ding)位(wei)，而(er)無(wu)需(xu)在(zai)控(kong)製(zhi)器(qi)上(shang)進(jin)行(xing)任(ren)何(he)計(ji)算(suan)。選(xuan)擇(ze)這(zhe)些(xie)元(yuan)器(qi)件(jian)還(hai)能(neng)降(jiang)低(di)對(dui)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)所(suo)用(yong)外(wai)設(she)
、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
、接jie收shou和he操cao作zuo數shu據ju包bao。協xie議yi中zhong定ding義yi的de每mei種zhong器qi件jian都dou有you一yi個ge相xiang應ying的de類lei，其qi中zhong包bao括kuo用yong於yu存cun儲chu要yao交jiao換huan的de數shu據ju的de屬shu性xing，以yi及ji一yi組zu可ke用yong於yu修xiu改gai這zhe些xie屬shu性xing而er不bu必bi直zhi接jie編bian輯ji變bian量liang的de方fang法fa。例li如ru，若ruo要yao在zai運yun動dong控kong製zhi器qi的de速su度du模mo式shi下xia更geng改gai運yun動dong方fang向xiang
，可ke以yi使shi用yong已yi定ding義yi的de方fang法fa“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PoDL標biao準zhun的de電dian力li傳chuan輸shu方fang式shi
  ，通tong過guo數shu據ju線xian上shang疊die加jia的de直zhi流liu電dian壓ya為wei連lian接jie到dao網wang絡luo的de設she備bei供gong電dian。這zhe種zhong耦ou合he隻zhi需xu要yao使shi用yong無wu源yuan元yuan件jian就jiu可ke以yi實shi現xian
  
  ，接jie收shou端duan的de電dian壓ya經jing過guo濾lv波bo後hou，可ke以yi直zhi接jie給gei器qi件jian或huoDC-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1700midechuanganqihezhixingqishixianyuanchengkongzhi，erwuxubianyuangongdian。tongguokekaodeyuanchengkongzhifangfa
，keyiqingsongdizaigengyuanjulishishikongzhibujindianji，erbubixishengrenhexingnenghuosudu。zhexiexitongjiejuefanganjiangzhuligongyezhuanxing，youwangjinyibusuoduanxiangyingshijian

，chongfentigaoxingneng。