以太网物理层芯片（以太网标准10base t）

工业4.0带来了长距离边缘智能的曙光，而10BASE-T1L以太网的数据线供电（PoDL）功能、高数据传输速率以及与以太网协议的兼容性也为未来的发展铺平了道路。本文介绍了如何在自动化和工业场景中集成新的10BASE-T1L以太网物理层标准，将控制器和用户界面与多个传感器和执行器等端点连接起来，全部使用标准以太网接口进行双向通信。

介绍

10BASE-T1L 是工业连接的物理层标准。它使用标准双绞线电缆，数据速率高达10 Mbps，电力传输距离长达1000 米。低延迟和PoDL 功能有助于远程控制传感器或执行器等设备。本文介绍如何实现一个可以同步控制两个或多个步进电机的远程主机系统，从而展示远距离实时通信的能力。

系统总览

图1是系统级应用的示意图。在主机端，ADIN1100 和ADIN1200 以太网PHY 管理标准链路和10BASE-T1L 链路之间的转换，而在远程端，控制器通过ADIN1110 以太网MAC-PHY 与链路连接，仅需要一个SPI 外设交换数据和命令。使用ADI Trinamic TMC5160 步进电机控制器和驱动器实现精确的同步运动控制，无需在控制器上进行任何计算即可生成用于定位的六点斜坡。选择这些组件还可以降低微控制器的外设、计算能力和代码大小要求，从而允许更广泛的商业产品。此外，整个远程子系统可以直接从数据线供电，而不会超过预定的功耗限制；因此，只有媒体转换板需要提供本地电源。

图1. 系统概览。

系统硬件

该系统由四个不同的板组成：

EVAL-ADIN1100 板具有ADIN1200 10BASE-T/100BASE-T PHY，与ADIN1100 10BASE-T1L PHY 配合使用时，可以将消息从一种物理标准转换为另一种物理标准。可以配置不同的工作模式。该项目使用标准模式15（媒体转换器）。 EVAL-ADIN1100 板还集成了一个微控制器，用于执行媒体转换和读取诊断信息所需的基本配置。但是，它无法与发送和接收的消息进行交互；董事会的沟通完全透明。

EVAL-ADIN1110 是远程设备控制器的核心。 ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY 通过10BASE-T1L 链路接收数据，并通过SPI 接口将数据传输到板载Cortex-M4 微控制器进行处理。该板还提供Arduino Uno 兼容接头，可用于安装扩展板以添加更多功能。

TMC5160扩展板是根据Arduino扩展板尺寸定制的开发板。单个扩展板最多支持两个TMC5160 SilentStepStick 板，多个扩展板可以堆叠在一起以增加可控制电机的最大数量。所有驱动器共享相同的SPI 时钟和数据信号，但片选线保持独立。该配置支持两种通信模式：如果每个片选线都有效，则微控制器可以与单个控制器—— 通信，例如以配置运动参数。相反，如果同时断言多个片选线，则所有选定的驱动器同时接收相同的命令。后一种模式主要用于运动同步。该板还为StepStick 提供了一些额外的输入电容，以减少电机启动时的电流尖峰，并使正常运行期间的电流曲线更加平滑。它允许使用PoDL 为最多两个NEMA17 电机的整个系统供电（默认设置下24 V 时的最大传输功率为12 W）。该板还支持使用螺丝端子来简化与步进电机的连接，使控制器的相位输出更容易访问。

两块EVAL-ADIN11X0EBZ 板用于向系统添加PoDL 功能，一块用于媒体转换器，另一块用于EVAL-ADIN1110EBZ。该板是一个插入式模块，安装在评估板的MDI 原型接头上，可配置为通过数据线提供和接收电源。

图2.组装好的EVAL-ADIN1110、EVAL-ADIN11X0EBZ 和TMC5160 扩展板。

软件

可供下载的软件代码：使用10Base-T1L 以太网进行远程运动控制- 代码。

为了保持代码轻量并有效降低通信开销，数据链路层之上没有实现标准通信协议。所有消息都通过预定义的固定格式以太网帧的有效负载字段进行交换。数据被组织成46 字节的数据段。一个数据段由2字节的固定头和44字节的数据字段组成。头部包括： 8位设备类型字段，决定接收到的数据如何处理； 8 位设备ID 字段，如果存在多个相同类型的设备，则允许选择单个物理设备。

图3. 通信协议格式。

主机接口采用Python编写，以确保与Windows和Linux主机的兼容性。以太网通信通过Scapy 模块进行管理，该模块允许在堆栈的每一层（包括以太网数据链路）创建、发送、接收和操作数据包。协议中定义的每个设备都有一个相应的类，其中包括用于存储要交换的数据的属性，以及一组可用于修改这些属性而无需直接编辑变量的方法。例如，要更改运动控制器速度模式下的运动方向，可以使用定义的方法“setDirectionCW()”和“setDirectionCCW()”，而无需手动为方向标志分配值0 或1 。每个类还包括“packSegment()”方法，该方法根据所考虑的设备设备的预定义格式，以字节数组的形式打包并返回与受控设备对应的数据段。

固件使用ChibiOS环境用C语言编写，其中包括实时操作系统（RTOS）、硬件抽象层（HAL）、外设驱动程序等工具，使得代码可以在类似的微控制器之间轻松移植。该项目基于三个自定义模块：

ADIN1110.c是支持通过SPI接口与ADIN1110交换数据和命令的驱动程序。它包括用于从设备寄存器读取和写入数据的低级通信功能，以及用于发送和接收以太网帧的高级功能。它还包括在10BASE-T1L 收发器之间建立通信的功能。通知是否发生新帧的引脚在中断时读取，以最大限度地减少延迟。

TMC5160.c 实现控制TMC5160 运动控制器所需的所有功能，并配置为在全运动控制器模式下运行。它实现了恒速和位置控制两种模式，可使用六点斜坡实现平稳、准确的定位。与多个运动控制器的通信是通过单个SPI总线和多个独立的片选线实现的。它还提供了一组函数和类型定义来简化运动同步。

Devices.c 是从T1L 链路接收的数据与连接到控制器的物理设备之间的接口。它包括与主机接口中定义的结构类似的结构，并且具有每次接收到具有有效数据的新帧时更新结构的功能。该模块还用于确定每次更新结构时执行哪些操作，例如哪个物理运动控制器与在特定设备地址接收到的命令相关联。

图4. 固件流程图。

系统亮点和验证

该项目旨在展示新的10BASE-T1L 以太网物理层标准如何集成到自动化和工业场景中，将控制器和用户界面与多个传感器和执行器等端点连接起来。该应用的目标是远程实时控制多个步进电机，广泛应用于工业中的低功耗自动化任务，但也可用于轻型机器人和数控机床，例如台式3D 打印机、台式铣床和其他类型的数控机床。笛卡尔绘图仪。此外，还可以扩展到其他类型的执行器和远程控制装置。与具有类似用途的现有接口相比，其主要优点包括：

接线简单，只需一根双绞线。通过支持数据线供电，传感器等低功耗设备可以直接通过该连接供电，进一步减少所需的接线和连接器数量，并降低整体系统复杂性、成本和重量。

采用PoDL标准电力传输方式，利用叠加在数据线上的直流电压为连接到网络的设备供电。这种耦合可以通过仅使用无源元件来实现。接收端电压经过滤波后，无需整流即可直接为设备或DC-DC转换器供电。只要用于此类耦合的组件尺寸适当，就可以实现高效的系统。本项目使用评估板上安装的标准组件，整体效率约为93%（电源电压为24 V，总负载电流为200 mA）。然而，这个结果还有很大的改进空间，事实上，大部分损耗是由电源路径中无源元件的电阻压降引起的。

最后一英里和端点连接的多功能性。 ADI 10BASE-T1L 设备经过测试，距离可达1.7 公里。它们还支持菊花链连接，这对系统复杂性的影响最小。例如，使用ADIN2111双端口低复杂度交换芯片，可以设计具有集成菊花链功能的设备，使得该链路也适用于端点网络。

通过集成以太网控制器轻松连接到现有设备，包括PC 和笔记本电脑。数据帧遵循以太网数据链路标准，所有以太网兼容协议都可以在其之上实现，因此只需要一个媒体转换器作为桥梁即可连接到标准以太网链路。例如，该项目中使用的评估板EVAL-ADIN1100可以用作透明媒体转换器的参考设计，该透明媒体转换器只需要两个以太网PHY和一个可选的微控制器来进行配置和调试。

高数据速率高达10 Mbps，全双工。此功能与可实现基于工业以太网的协议的菊花链拓扑相结合，使其对于需要确定性传输延迟的实时应用非常有用。

根据应用的安全性和鲁棒性要求，收发器和介质之间的隔离可以通过电容耦合或磁耦合来实现。

我们对系统进行了多次测量以评估其性能。用于与ADIN1110 收发器和TMC5160 控制器通信的所有外设均配置为使用标准硬件配置可实现的最大可能速度。考虑到微控制器具有80 MHz 系统时钟，运动控制器和ADIN1110 收发器的SPI 外设数据速率分别设置为2.5 MHz 和20 MHz。对于TMC5160，通过调整微控制器时钟配置并向IC提供外部时钟信号，可以将SPI频率进一步提高到8 MHz，而对于ADIN1110，数据表指定上限为25 MHz。

评估延迟，请求数据和接收回复帧之间的总时间约为4 ms（500 个样本的平均值，使用Wireshark 协议分析器测量，计算数据请求和相应回复的时间戳之间的差异）。我们还进行了额外的评估，以确定系统的哪些部分导致了这种延迟。结果表明，主要原因是RTOS的延迟功能。预留的最小延迟为1毫秒，用于设置TMC5160的读写操作间隔，而所需延迟约为几十纳秒。这可以通过定义基于定时器的附加延迟函数来改进，使得延迟间隔可以更短。

延迟的第二个原因是用于接收帧的Scapy 函数，调用该函数后至少需要3 ms 的设置时间。在实际应用中，可以直接使用操作系统的网络适配器驱动程序来开发接口来进行改进，而无需使用Scapy等第三方工具。然而，这样做有一些缺点，包括失去与不同操作系统的兼容性以及增加代码复杂性。

图5. 电源路径的简化方案。

通过切换GPIO 并使用示波器测量高电平周期，可以测量微控制器上回调的准确执行时间。测量的执行时间包括读取和解析接收到的帧以及向运动控制器发送命令的功能执行时间。

表1. 测量的执行时间

命令执行时间(ms) 累积延迟时间(ms) 优化执行时间(ms) 同步运动，两个电机

（24 TMC5160 寄存器访问） 24.05824.0000.058 电机数据请求

（3 TMC5160访问）3.1093.0000.109伪数据请求

（无TMC5160交互）0.08000.080

第二组测量旨在评估使用PoDL 为远程设备供电时传输路径上的功率损耗。我们用设置为不同电流（从0.1 A 到0.5 A，步长为100 mA）的电子负载代替运动控制器扩展板进行测试，以确定哪些组件对功率损耗影响更大，进而确定如何改善设计以实现更高的额定电流。

表2. 系统效率

电流（A） 输入功率（W） 输出功率（W） 效率0.1092.612.470.950.2004.704.450.930.3087.376.700.910.3999.548.510.890.50212.0010.450.87

图6. 每个无源组件的功率损耗与电流的关系。

结果表明，桥式整流器和肖特基二极管D2 是造成损耗的主要因素，两者均用于反极性保护。这两种组件都可以替换为基于MOSFET 晶体管和理想二极管控制器的类似电路，以实现更高的效率，同时又不会失去上述保护功能。在较高电流下，用于输入和输出电源滤波的耦合电感器的直流电阻占主导地位，因此为了增加电流能力，还使用具有更高额定电流的类似电感器。

综上所述

工业4.0正在推动智能自动化的发展。 ADI Trinamic 技术与ADIN1100、ADIN1110 和10BASE-T1L 收发器配合使用，可帮助控制器远程控制最远1,700 米外的传感器和执行器，而无需边缘电源。通过可靠的远程控制方法，可以轻松地在较长距离内实时控制步进电机，而无需牺牲任何性能或速度。这些系统解决方案将助力产业转型，有望进一步缩短响应时间、全面提升性能。