【導讀】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。

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

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——例li如ru配pei置zhi運yun動dong參can數shu。相xiang反fan，如ru果guo同tong時shi將jiang多duo條tiao片pian選xuan線xian置zhi為wei有you效xiao，則ze所suo有you選xuan定ding的de驅qu動dong器qi同tong時shi接jie收shou相xiang同tong的de命ming令ling。後hou一yi種zhong模mo式shi主zhu要yao用yong於yu運yun動dong同tong步bu。該gai板ban還hai為weiStepStick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
、jieshouhecaozuoshujubao。xieyizhongdingyidemeizhongqijiandouyouyigexiangyingdelei，qizhongbaokuoyongyucunchuyaojiaohuandeshujudeshuxing，yijiyizukeyongyuxiugaizhexieshuxingerbubizhijiebianjibianliangdefangfa。liru，ruoyaozaiyundongkongzhiqidesudumoshixiagenggaiyundongfangxiang
，keyishiyongyidingyidefangfa"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ADIN1110交(jiao)換(huan)數(shu)據(ju)和(he)命(ming)令(ling)。它(ta)包(bao)括(kuo)用(yong)於(yu)從(cong)器(qi)件(jian)寄(ji)存(cun)器(qi)讀(du)取(qu)和(he)寫(xie)入(ru)數(shu)據(ju)的(de)低(di)級(ji)通(tong)信(xin)函(han)數(shu)，以(yi)及(ji)用(yong)於(yu)發(fa)送(song)和(he)接(jie)收(shou)以(yi)太(tai)網(wang)幀(zhen)的(de)高(gao)級(ji)函(han)數(shu)。它(ta)還(hai)包(bao)括(kuo)用(yong)於(yu)在(zai)10BASE-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TMC5160運yun動dong控kong製zhi器qi所suo需xu的de全quan部bu函han數shu，配pei置zhi為wei以yi全quan功gong能neng運yun動dong控kong製zhi器qi模mo式shi運yun行xing。它ta實shi現xian了le恒heng速su和he位wei置zhi控kong製zhi兩liang種zhong模mo式shi，允yun許xu使shi用yong六liu點dian斜xie坡po進jin行xing平ping滑hua準zhun確que的de定ding位wei。與yu多duo個ge運yun動dong控kong製zhi器qi的de通tong信xin通tong過guo單dan條tiaoSPI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-DC轉(zhuan)換(huan)器(qi)供(gong)電(dian)
，不(bu)需(xu)要(yao)整(zheng)流(liu)。隻(zhi)要(yao)適(shi)當(dang)確(que)定(ding)用(yong)於(yu)此(ci)類(lei)耦(ou)合(he)的(de)元(yuan)件(jian)大(da)小(xiao)
，就(jiu)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)一(yi)個(ge)高(gao)效(xiao)率(lv)係(xi)統(tong)。本(ben)項(xiang)目(mu)中(zhong)使(shi)用(yong)評(ping)估(gu)板(ban)上(shang)安(an)裝(zhuang)的(de)標(biao)準(zhun)元(yuan)件(jian)，整(zheng)體(ti)效(xiao)率(lv)約(yue)為(wei)93%（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。

●  易(yi)於(yu)與(yu)已(yi)集(ji)成(cheng)以(yi)太(tai)網(wang)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)現(xian)有(you)設(she)備(bei)連(lian)接(jie)
，包(bao)括(kuo)個(ge)人(ren)電(dian)腦(nao)和(he)筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦(nao)。數(shu)據(ju)幀(zhen)遵(zun)循(xun)以(yi)太(tai)網(wang)數(shu)據(ju)鏈(lian)路(lu)標(biao)準(zhun)，所(suo)有(you)與(yu)以(yi)太(tai)網(wang)兼(jian)容(rong)的(de)協(xie)議(yi)都(dou)可(ke)以(yi)在(zai)其(qi)之(zhi)上(shang)實(shi)現(xian)，因(yin)此(ci)隻(zhi)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)媒(mei)介(jie)轉(zhuan)換(huan)器(qi)作(zuo)為(wei)橋(qiao)接(jie)器(qi)與(yu)標(biao)準(zhun)以(yi)太(tai)網(wang)鏈(lian)路(lu)連(lian)接(jie)。例(li)如(ru)
，本(ben)項(xiang)目(mu)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)評(ping)估(gu)板(ban)EVAL-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)。

表1.實測執行時間

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。

表2.係統效率

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MOSFET晶(jing)體(ti)管(guan)和(he)理(li)想(xiang)二(er)極(ji)管(guan)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)類(lei)似(si)電(dian)路(lu)代(dai)替(ti)，以(yi)獲(huo)得(de)更(geng)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)，同(tong)時(shi)也(ye)不(bu)會(hui)失(shi)去(qu)上(shang)述(shu)保(bao)護(hu)能(neng)力(li)。在(zai)較(jiao)高(gao)電(dian)流(liu)下(xia)，用(yong)於(yu)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)源(yuan)濾(lv)波(bo)的(de)耦(ou)合(he)電(dian)感(gan)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)阻(zu)占(zhan)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)，因(yin)此(ci)為(wei)了(le)提(ti)高(gao)電(dian)流(liu)能(neng)力(li)
，還(hai)需(xu)使(shi)用(yong)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)的(de)類(lei)似(si)電(dian)感(gan)。

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。

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