通過智能節(jié)點的遠(yuǎn)程運動控制促進(jìn)實現(xiàn)可靠的自動化

摘要

工業(yè)4.0為遠(yuǎn)距離實現(xiàn)邊緣智能帶來了曙光，而10BASE-T1L以太網(wǎng)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)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(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口進(jìn)行雙向通信。

簡介

10BASE-T1L是針對工業(yè)連接的物理層標(biāo)準(zhǔn)。它使用標(biāo)準(zhǔn)雙絞線電纜，數(shù)據(jù)速率高達(dá)10 Mbps，電力傳輸距離長達(dá)1000米。低延遲和PoDL功能有助于實現(xiàn)對傳感器或執(zhí)行器等器件的遠(yuǎn)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(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程主機(jī)系統(tǒng)，借此展示遠(yuǎn)距離實時通信的能力。

系統(tǒng)概述

圖1是系統(tǒng)級應(yīng)用的示意圖。在主機(jī)端，由ADIN1100和ADIN1200以太網(wǎng)PHY負(fù)責(zé)管理標(biāo)準(zhǔn)鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉(zhuǎn)換，而在遠(yuǎn)程端，控制器通過ADIN1110以太網(wǎng)MAC-PHY與鏈路接口，只需要一個SPI外設(shè)來交換數(shù)據(jù)和命令。準(zhǔn)確的同步運動控制利用ADI Trinamic? TMC5160步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動器來實現(xiàn)，這些器件可生成六點斜坡用于定位，而無需在控制器上進(jìn)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(shè)、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(chǎn)品。此外，在不超過預(yù)定功耗限制的情況下，整個遠(yuǎn)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：

• 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(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為另一種物理標(biāo)準(zhǔn)。它可以針對不同的工作模式進(jìn)行配置。本項目使用標(biāo)準(zhǔn)模式15（媒介轉(zhuǎn)換器）。EVAL-ADIN1100板還集成了微控制器，用于執(zhí)行媒介轉(zhuǎn)換所需的基本配置和讀取診斷信息。但是，它不能與發(fā)送和接收的消息交互；該板對通信完全透明。
• EVAL-ADIN1110是遠(yuǎn)程器件控制器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY通過10BASE-T1L鏈路接收數(shù)據(jù)，并通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨遢dCortex?-M4微控制器進(jìn)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(kuò)展板以添加更多功能。
• TMC5160擴(kuò)展板是一款基于Arduino擴(kuò)展板外形尺寸定制的開發(fā)板。單個擴(kuò)展板最多支持兩個TMC5160 SilentStepStick板，多個擴(kuò)展板可以堆疊在一起以增加可控電機(jī)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)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，則微控制器可以與單個控制器通信——例如配置運動參數(shù)。相反，如果同時將多條片選線置為有效，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，以降低電機(jī)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。它允許使用PoDL為最多配有兩個NEMA17電機(jī)的整個系統(tǒng)供電（默認(rèn)設(shè)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(jìn)電機(jī)的連接，使控制器的相位輸出更容易訪問。
• 兩個EVAL-ADIN11X0EBZ板用于向系統(tǒng)添加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，并且可以配置為通過數(shù)據(jù)線提供和接收電力。

圖2.裝配好的EVAL-ADIN1110、EVAL-ADIN11X0EBZ和TMC5160擴(kuò)展板。

軟件

軟件代碼可供下載：利用10Base-T1L以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)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(shù)據(jù)鏈路層之上實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。所有消息都是通過預(yù)定義固定格式的以太網(wǎng)幀的有效載荷字段進(jìn)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)的固定報頭和44字節(jié)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；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(jī)接口采用Python編寫，以確保與Windows和Linux主機(jī)兼容。以太網(wǎng)通信通過Scapy模塊進(jìn)行管理，該模塊允許在堆棧的每一層（包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路）創(chuàng)建、發(fā)送、接收和操作數(shù)據(jù)包。協(xié)議中定義的每種器件都有一個相應(yīng)的類，其中包括用于存儲要交換的數(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(biāo)志賦值0或1。每個類還包括一個“packSegment()”方法，該方法根據(jù)所考慮的設(shè)備器件的預(yù)定義格式，以字節(jié)數(shù)組的形式打包并返回與受控器件對應(yīng)的數(shù)據(jù)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(shè)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，用于支持通過SPI接口與ADIN1110交換數(shù)據(jù)和命令。它包括用于從器件寄存器讀取和寫入數(shù)據(jù)的低級通信函數(shù)，以及用于發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀的高級函數(shù)。它還包括用于在10BASE-T1L收發(fā)器之間建立通信的函數(shù)。通知是否出現(xiàn)新幀的引腳在中斷時讀取，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。它實現(xiàn)了恒速和位置控制兩種模式，允許使用六點斜坡進(jìn)行平滑準(zhǔn)確的定位。與多個運動控制器的通信通過單條SPI總線和多條獨立的片選線實現(xiàn)。它還提供了一組函數(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器件之間的接口。它包括與主機(jī)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帶有效數(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器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(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用針對多個步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)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(jī)器人和數(shù)控機(jī)床，例如臺式3D打印機(jī)、臺式銑床和其他類型的笛卡爾繪圖儀。此外，它還能擴(kuò)展用于其他類型的執(zhí)行器和遠(yuǎn)程控制器件。與具有類似用途的現(xiàn)有接口相比，其主要優(yōu)點包括：

• 布線簡單，只需要一根雙絞線。由于支持通過數(shù)據(jù)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的電力傳輸方式，通過數(shù)據(jù)線上疊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無源元件就可以實現(xiàn)，接收端的電壓經(jīng)過濾波后，可以直接給器件或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元件大小，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(biāo)準(zhǔn)元件，整體效率約為93%（采用24 V電源，總負(fù)載電流為200 mA）。然而，這一結(jié)果還有很大的改進(jìn)余地，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，既可用于最后一公里連接，也可用于端點連接。ADI 10BASE-T1L器件針對長達(dá)1.7公里的距離進(jìn)行了測試。它們還支持菊花鏈連接，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)計集成菊花鏈功能的器件，使鏈路也適用于端點網(wǎng)絡(luò)。
• 易于與已集成以太網(wǎng)控制器的現(xiàn)有設(shè)備連接，包括個人電腦和筆記本電腦。數(shù)據(jù)幀遵循以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)，所有與以太網(wǎng)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)換器作為橋接器與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)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，它僅需要兩個以太網(wǎng)PHY和一個可選微控制器用于配置和調(diào)試。
• 高達(dá)10 Mbps的高數(shù)據(jù)速率，全雙工。此特性與菊花鏈拓?fù)?/a>（在其上可以實現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議）相結(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通過容性耦合或磁耦合實現(xiàn)。

我們對該系統(tǒng)進(jìn)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(shè)，都配置為使用標(biāo)準(zhǔn)硬件配置可達(dá)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(shè)的數(shù)據(jù)速率分別設(shè)置為2.5 MHz和20 MHz。對于TMC5160，通過調(diào)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(jìn)一步提高至8 MHz，而對于ADIN1110，數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的上限值為25 MHz。

對延遲進(jìn)行評估，請求數(shù)據(jù)和收到應(yīng)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(shù)據(jù)請求和相應(yīng)應(yīng)答的時間戳之間的差值測得）。我們還進(jìn)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)果表明，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)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(shù)來改進(jìn)，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)置時間。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進(jìn)。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。

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(xiàn)回調(diào)的準(zhǔn)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(shù)執(zhí)行時間。

表1.實測執(zhí)行時間

第二組測量旨在評估使用PoDL為遠(yuǎn)程器件供電時傳輸路徑上的功率損耗。我們用設(shè)置為不同電流的電子負(fù)載代替運動控制器擴(kuò)展板進(jìn)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(jìn)而確定如何改進(jìn)設(shè)計以實現(xiàn)更高的額定電流。

表2.系統(tǒng)效率

結(jié)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(hù)。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(hù)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正在推動智能自動化的發(fā)展。ADI Trinamic技術(shù)與ADIN1100、ADIN1110、10BASE-T1L收發(fā)器配合使用，有助于控制器對遠(yuǎn)至1700米的傳感器和執(zhí)行器實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，而無需邊緣供電。通過可靠的遠(yuǎn)程控制方法，可以輕松地在更遠(yuǎn)距離實時控制步進(jìn)電機(jī)，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，有望進(jìn)一步縮短響應(yīng)時間，充分提高性能。