【解決方案】透過智慧節點的遠端運動控制實現可靠的自動化

摘要

工業4.0為遠距離實現邊緣智慧帶來了曙光，而10BASE-T1L乙太網路的資料線供電(PoDL)功能、高資料傳輸速率以及與乙太網路協定相容也為未來發展鋪路。本文介紹如何在自動化和工業場景中整合新的10BASE-T1L乙太網路實體層標準，將控制器和使用者介面與端點（例如多個感測器和執行器）相連接，所有元件均使用標準乙太網路介面進行雙向通訊。

簡介

10BASE-T1L是針對工業連接的實體層標準。其使用標準雙絞線電纜，資料速率高達10 Mbps，電力傳輸距離長達1000公尺。低延遲和PoDL功能有助於實現對感測器或執行器等元件的遠端控制。本文介紹如何實現一個能夠同步控制兩個或更多步進馬達的遠端主機系統，借此展示遠距離即時通訊的能力。

圖1是系統級應用的示意圖。在主機端，由 ADIN1100 和 ADIN1200 乙太網路PHY負責管理標準鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉換，而在遠端，控制器透過 ADIN1110 乙太網路MAC-PHY與鏈路介面，只需要一個SPI周邊來交換資料和命令。準確的同步運動控制利用 Trinamic™ TMC5160 步進馬達控制器和驅動器來實現，這些元件可產生六點斜坡用於定位，而無需在控制器上進行任何計算。選擇這些元元件還能降低對微控制器所用周邊、計算能力和代碼大小的要求，進而支援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，整個遠端子系統可以直接由資料線供電；因此，只有媒介轉換器板需要供應區域電源。

圖1.系統概覽。

系統硬體

該系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。其可以針對不同的工作模式進行配置。本專案使用標準模式15（媒介轉換器）。EVAL-ADIN1100板並整合了微控制器，用於執行媒介轉換所需的基本配置和讀取診斷資訊。但是，它不能與發送和接收的消息交互；該板對通訊完全透明。
• EVAL-ADIN1110 是遠端元件控制器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY透過10BASE-T1L鏈路接收數據，並透過SPI介面將數據傳輸到板載Cortex®-M4微控制器進行處理。該板並提供與Arduino Uno相容的接頭，可利用這些接頭安裝擴展板以增加更多功能。
• TMC5160擴展板為一款基於Arduino擴展板外型尺寸客製的開發板。單一擴展板最多支援兩個TMC5160 SilentStepStick板，多個擴展板可以堆疊在一起以增加可控馬達的最大數量。所有驅動器共用相同的SPI時鐘和資料訊號，但晶片選擇線保持獨立。此種配置支援兩種通訊模式：如果晶片選擇線各自置為有效，則微控制器可以與單一控制器通訊——例如配置運動參數。相反，如果同時將多條晶片選擇線置為有效，則所有選定的驅動器同時接收相同的命令。後一種模式主要用於運動同步。該板還為StepStick提供了一些額外的輸入電容，以降低馬達啟動時的電流峰值，並使正常工作期間的電流曲線更加平滑。其允許使用PoDL為最多配有兩個NEMA17馬達的整個系統供電（預設設定下，24 V時的最大傳輸功率為12 W）。該板一支援使用螺絲端子來簡化與步進馬達的連接，使控制器的相位輸出更容易存取。
• 兩個EVAL-ADIN11X0EBZ板用於向系統增加PoDL功能，其中一個板用於媒介轉換器，另一個用於EVAL-ADIN1110EBZ。該板是一個外掛程式模組，可以安裝在評估板的MDI原型接頭上，並且可以配置為透過數據線提供和接收電力。

軟體

軟體代碼可供下載： 利用10Base-T1L乙太網路進行遠端運動控制 - 代碼。

為了保持代碼的輕量化並有效減少通訊開銷，沒有在資料連結層之上實現標準通訊協議。所有消息都是透過預定義固定格式的乙太網路幀的有效載荷欄位進行交換。資料被組織成46位元組的資料段，一個資料段由2位元組的固定標頭和44位元組的資料欄位組成。標頭包括：一個8位元件類型欄位，用於確定如何處理接收的資料；以及一個8位元件ID欄位，如果存在多個相同類型的元件，可以透過ID來選擇單一物理元件。

圖3.通訊協議格式。

主機介面採用Python編寫，以確保與Windows和Linux主機相容。乙太網路通訊透過Scapy模組進行管理，該模組允許在堆疊的每一層（包括乙太網路資料連結）創建、發送、接收和運算數據包。協議中定義的每種元件都有一個相應的類別，其中包括用於儲存要交換的資料的屬性，以及一組可用於修改這些屬性而不必直接編輯變數的方法。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誌賦值0或1。每個類別還包括一個"packSegment()"方法，該方法根據所考慮的設備元件的預定義格式，以位元組陣列的形式打包並返回與受控元件對應的資料段。

韌體利用ChibiOS環境以C語言編寫，其中包括即時操作系統(RTOS)、硬體抽象層(HAL)、周邊驅動程式等工具，使代碼可以在相似的微控制器之間輕鬆移植。專案基於三個自訂模組：

• ADIN1110.c是驅動程式，用於支援透過SPI介面與ADIN1110交換資料和命令。其括用於從元件暫存器讀取和寫入資料的低層通訊函數，以及用於發送和接收乙太網路幀的高層級函數。其並包括用於在10BASE-T1L收發器之間建立通訊的函數。通知是否出現新幀的接腳在中斷時讀取，以儘量減少延遲。
• TMC5160.c實現了控制TMC5160運動控制器所需的全部函數，配置為以全功能運動控制器模式運行。其實現了恆速和位置控制兩種模式，允許使用六點斜坡進行平滑準確的定位。與多個運動控制器的通訊透過單條SPI匯流排和多條獨立的晶片選線實現。其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鏈路接收的資料與連接到控制器的物理元件之間的介面。其包括與主機介面中定義的結構體類似的結構體，並且具有在每次接收到具有效資料的新幀時更新結構體的函數。此模組還用於確定每次更新結構體時執行哪些操作，例如，哪個物理運動控制器與在特定元件位址接收到的命令相關。

圖4.固件流程圖。

系統亮點和驗證

該專案目的在展示如何在自動化和工業場景中整合新的10BASE-T1L乙太網路實體層標準，將控制器和使用者介面與端點（例如多個感測器和執行器）連接起來。此應用針對多個步進馬達的遠端即時控制，廣泛用於工業中的低功耗自動化任務，但也可用於輕型機器人和數位控制機床，例如桌上型3D印表機、桌面式銑床和其他類型的笛卡爾繪圖器。此外，其還能擴展用於其他類型的執行器和遠端控制元件。相較於具有類似用途的現有介面，其主要優點包括：

• 佈線簡單，只需要一根雙絞線。由於支援透過資料線供電，低功耗元件（如感測器）可以直接借助此連接供電，進一步減少所需的佈線和連接器數量，並降低整體系統的複雜性、成本和重量。
• 使用PoDL標準的電力傳輸方式，透過數據線上疊加的直流電壓為連接到網路的設備供電。這種耦合只需要使用被動元件就可以實現，接收端的電壓經過濾波後，可以直接為元件或DC-DC轉換器供電，不需要整流。只要適當確定用於此類耦合的元件大小，就可以實現一個高效率系統。本專案中使用評估板上安裝的標準元件，整體效率約為93%（採用24 V電源，總負載電流為200 mA）。然而，此一結果還有很大的改善空間，事實上，大部分損耗是電源路徑上被動元件的電阻壓降造成的。
• 用途廣泛，既可用於最後一哩路連接，也可用於端點連接。ADI 10BASE-T1L元件針對長達1.7公里的距離進行了測試。其並支援菊鍊連接，這對系統複雜性的影響很小。例如，使用 ADIN2111 雙埠低複雜度交換晶片可以設計整合菊鍊功能的元件，使鏈路也適用於端點網路。
• 易於與已整合乙太網路控制器的現有設備連接，包括個人電腦和筆記型電腦。資料幀遵循乙太網路資料連結標準，所有與乙太網路相容的協定都可以在其之上實現，因此只需要一個媒介轉換器作為橋接器與標準乙太網路鏈路連接。例如，本專案中使用的評估板EVAL-ADIN1100可用作透明媒介轉換器的參考設計，其僅需要兩個乙太網路PHY和一個可選微控制器用於配置和偵錯。
• 高達10 Mbps的高資料速率，全雙工。此特性與菊鍊拓撲（在其上可以實現基於工業乙太網路的協定）相互結合，使其可用於需要確定性傳輸延遲的即時應用。
• 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透過相容性耦合或磁耦合實現。

我們對該系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控制器通訊的周邊，都配置為使用標準硬體設定可達到的最大可能速度。考慮到微控制器具有80 MHz系統時脈，對於運動控制器和ADIN1110收發器，SPI周邊的資料速率分別設定為2.5 MHz和20 MHz。對於TMC5160，透過調整微控制器時脈配置並向IC提供外部時脈訊號，SPI頻率可進一步提高至8 MHz，而對於ADIN1110，產品手冊規定的上限值為25 MHz。

對延遲進行評估，請求資料和收到接收回應幀之間的總時間大約為4 ms（500個樣本的平均值，使用Wireshark協定分析儀計算資料請求和相應回應的時間戳記之間的差值測得）。我們還進行了其他評估，以確定系統的哪些部分是導致此延遲的原因。結果顯示，主要原因是RTOS的延時函數，其預留的最小延遲為1 ms，用於設定TMC5160的讀寫操作間隔，而所需的延遲約為幾十納秒。這可以透過定義基於計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的設定時間。在實際應用中，直接使用作業系統的網路介面卡驅動程式來開發介面，而不借助Scapy等協力廠商工具也能有所改善。然而，這樣做也有一些缺點，包括會失去與不同作業系統的相容性並增加代碼複雜度。

圖5.電源路徑的簡化方案。

透過切換GPIO並使用示波器測量高位準週期，可測得微控制器上實現回檔的準確執行時間。實測執行時間包括讀取和解析接收到的幀以及向運動控制器發送命令的函數執行時間。

第二組測量旨在評估使用PoDL為遠端元件供電時傳輸路徑上的功率損耗。我們用設定為不同電流的電子負載取代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，進而確定如何改善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。

結果顯示，橋式整流器和肖特基二極體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電晶體和理想二極體控制器的類似電路取代，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，用於輸入和輸出電源濾波的耦合電感的直流電阻佔主導地位，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4.0正推動著智慧自動化的發展。ADI Trinamic技術與ADIN1100、ADIN1110、10BASE-T1L收發器之搭配，有助於控制器對遠至1700公尺的感測器和執行器實現遠端控制，而無需邊緣供電。透過可靠的遠端控制方法，可以輕鬆在更遠距離即時控制步進馬達，而不必犧牲任何性能或速度。這些系統解決方案將助力工業轉型，可望進一步縮短回應時間，充分提升性能。

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