為工業(yè)4.0啟用可靠的基于狀態(tài)的有線監(jiān)控——第2部分
發(fā)布時間:2020-06-16 來源:Richard Anslow,Dara O’Sullivan 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在“為工業(yè)4.0啟用可靠的基于狀態(tài)的有線監(jiān)控——第1部分”一文中,我們介紹了ADI公司的有線接口解決方案,該方案幫助客戶縮短設(shè)計周期和測試時間,讓工業(yè)CbM解決方案更快地進入市場。本文探討了多個方面,包括選擇合適的MEMS加速度計和物理層,以及EMC性能和電源設(shè)計。此外,還包括第一部分介紹的三種設(shè)計解決方案和性能權(quán)衡。本文為第二部分,著重介紹第一部分展示的SPI至RS-485/RS-422設(shè)計解決方案的物理層設(shè)計考量。
為MEMS實現(xiàn)有線物理層接口的常見挑戰(zhàn)包括管理EMC可靠性和數(shù)據(jù)完整性。但是,在RS-485/RS-422長電纜上分布SPI之類的時鐘同步接口,同時在相同的雙絞線(虛假電源)上部署電源和數(shù)據(jù)時,會帶來更多挑戰(zhàn)。本文討論以下關(guān)鍵問題,并就物理層接口設(shè)計提供建議:
● 管理系統(tǒng)時間同步
● 推薦的數(shù)據(jù)速率與電纜長度
● 適用于共用電源和數(shù)據(jù)架構(gòu)的濾波器設(shè)計和仿真
● 虛假電源結(jié)構(gòu)中的無源元件性能權(quán)衡
● 元件選擇和系統(tǒng)設(shè)計窗口
● 試驗性測量
時間同步和電纜長度
設(shè)計SPI至RS-485/RS-422鏈路時,電纜和元件會影響系統(tǒng)時鐘和數(shù)據(jù)同步。在長電纜中傳輸時,SCLK信號會在電纜中產(chǎn)生傳播延遲,100米長的電纜會延遲約400ns到500 ns。對于MOSI數(shù)據(jù)傳輸,MOSI和SCLK會被電纜延遲同等時間。然而,從從機MISO發(fā)送到主機的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)兩倍傳播延遲,因而不再與SCLK同步??赡艿淖畲骃PI SCLK基于系統(tǒng)傳播延遲設(shè)置,包括電纜傳播延遲,以及主機和從機元件傳播延遲。
圖1展示系統(tǒng)傳播延遲如何導(dǎo)致SPI主機上出現(xiàn)不準(zhǔn)確的SPI MISO采樣。對于沒有采用RS-485/RS-422電纜的系統(tǒng),MISO數(shù)據(jù)和SPI SCLK會以低延遲或無延遲同步。對于采用了電纜的系統(tǒng),SPI從機上的MISO數(shù)據(jù)與SPI SCLK之間存在一個系統(tǒng)傳播延遲,如圖1中的tpd1所示?;氐街鳈C的MISO數(shù)據(jù)存在兩個系統(tǒng)傳播延遲,如tpd2所示。當(dāng)數(shù)據(jù)由于電纜和元件傳播延遲而右移時,會發(fā)生不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采樣。
圖1.采用與不采用RS-485/RS-422長電纜的系統(tǒng)的MISO數(shù)據(jù)和SPI SCLK同步。
為了防止出現(xiàn)不準(zhǔn)確的MISO采樣,可以縮短電纜長度、降低SPI SCLK,或者在主控制器中實施SPI SCLK補償方案(時鐘相位偏移)。理論上,系統(tǒng)傳播延遲應(yīng)該小于SCLK時鐘周期的50%,以實現(xiàn)無錯通信;在實踐中,可以將系統(tǒng)延遲限值確定為SCLK的40%,這可以作為一般規(guī)則。
圖2針對1.1部分中描述的兩個SPI至RS-485/RS-422設(shè)計提供SPI SCLK和電纜長度指南。這種非隔離設(shè)計使用了ADI公司具備高速EMC穩(wěn)健性的小型RS-485/RS-422器件(ADM3066E和ADM4168E)。這種隔離設(shè)計還采用了ADI公司的iCoupler®信號和電源隔離ADuM5401器件,可以為SPI至RS-485/RS-422鏈路提供更高的EMC穩(wěn)健性和抗噪聲干擾性能。這種設(shè)計會增加系統(tǒng)傳播延遲,導(dǎo)致不可在更高的SPI SCLK速率下運行。在更長的電纜(超過30米)中傳輸時,強烈建議增加隔離,以幫助消除接地回路和EMC事件的影響,例如靜電放電(ESD)、電快速瞬變脈沖群(EFT),以及與數(shù)據(jù)傳輸電纜耦合的高壓浪涌。當(dāng)電纜長度達(dá)到或超過30米時,隔離和非隔離設(shè)計的SPI SCLK和電纜長度性能相似,如圖2所示。
圖2.針對隔離和非隔離設(shè)計的SPI SCLK和電纜長度指南。
虛假電源
背景知識
虛假電源將電源和數(shù)據(jù)部署在一根雙絞線上,在主機和從機之間實現(xiàn)單電纜解決方案。將數(shù)據(jù)和電源部署在同一根電纜上,可以在空間有限的邊緣傳感器節(jié)點上實現(xiàn)單連接器解決方案。
電源和數(shù)據(jù)通過電感電容網(wǎng)絡(luò)分布在單根雙絞線上,具體如圖3所示。高頻數(shù)據(jù)通過串聯(lián)電容與數(shù)據(jù)線路耦合,可以保護RS-485/RS-422收發(fā)器免受直流總線電壓影響,如圖3a所示。圖3所示為通過連接至數(shù)據(jù)線路的電感連接至主機控制器的電源。如圖3b所示,5V直流電源對交流數(shù)據(jù)總線實施偏置。在圖3c中,電流路徑顯示為從機和主機之間的IPWR,使用電纜遠(yuǎn)端基于狀態(tài)監(jiān)控(CbM)的從機傳感器節(jié)點上電感從線路中獲取電源。
圖3.虛假電源物理層的交流和直流電壓電平。
高通濾波器
在本文中,假設(shè)將虛假電源電感電容網(wǎng)絡(luò)部署到兩根電纜中,這會部署SPI MISO信號的RS-485/RS-422轉(zhuǎn)換。圖4描述主機和從機SPI至RS-485/RS-422的設(shè)計,以及SPI MISO數(shù)據(jù)線的虛假電源濾波器電路。濾波器電路采用高通電纜,所以要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號不能包含直流內(nèi)容或極低頻率的內(nèi)容。
圖4.SPI至RS-485/RS-422設(shè)計和虛假電源濾波器電路。
圖5所示為二階高通濾波器電路,這是對圖4的簡化演示。RS-485/RS-422發(fā)射器的電壓輸出標(biāo)記為VTX,R1具備15Ω輸出電阻。R2為30 kΩ,是RS-485/RS-422接收器的標(biāo)準(zhǔn)輸入電阻。電感(L)和電容(C)值可以選擇,以匹配所需的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率。
選擇電感(L)和電容(C)值時,需要考慮最大的RS-485/RS-422總線壓降和壓降時間,如圖6所示。存在一些標(biāo)準(zhǔn),例如對于單根雙絞線以太網(wǎng)2,指出的最大可允許壓降和壓降時間如圖6a所示。對于有些系統(tǒng),最大的可允許壓降和壓降時間值可能更大,受信號極性交越點限制,如圖6b所示。
壓降和壓降時間可與圖5中的仿真配對,以確定系統(tǒng)的高通頻率。
對于衰減出色的系統(tǒng),高通濾波器截止頻率和壓降要求之間的關(guān)系如公式1.3所示
在SPI至RS-485/RS-422通信系統(tǒng)中增加虛假電源時,很顯然可允許的最低SPI SCLK速率會受虛假電源濾波器元件限制。
為了實現(xiàn)不含位錯誤的可靠通信,需要考慮最糟糕場景下的最低SPI SCLK,例如,當(dāng)所有的SPI MISO采樣位處于邏輯高電平時,如圖7所示。如果所有的MISO采樣位都處于邏輯高電平,會導(dǎo)致位數(shù)據(jù)數(shù)率低于系統(tǒng)SPI SCLK。例如,如果SPI SCLK為2 MHz,且所有16個位都處于邏輯高電平,那么虛假電源LC濾波器網(wǎng)絡(luò)的速率相當(dāng)于125 kHz的SPI MISO位數(shù)率。
如“時間同步和電纜長度”部分所示,電纜長度越長,需要的SPI SCLK速率越低。但是,虛假電源會限制最低的SPI SCLK速率。要平衡這些對立的要求,就需要小心選擇和確定無源濾波器元件的特性,尤其是電感。
圖5.RS-422發(fā)射數(shù)據(jù)路徑和RS-485/RS-422接收數(shù)據(jù)路徑的二階高通濾波器。
圖6.RS-422接收器的壓降和壓降時間。
圖7.具有MISO 16位突波(所有都處于邏輯高電平)的SPI協(xié)議。
無源元件選擇
在選擇合適的功率電感時,需要考慮許多參數(shù),包括足夠的電感、額定/飽和電流、自諧振頻率(SRF)、低直流電阻(DCR)和封裝尺寸。表1提供選擇的功率電感和參數(shù)。
額定電流需要滿足或超過遠(yuǎn)程供電的MEMS傳感器節(jié)點的總電流要求,額定飽和電流需要更大。
此電感不會給交流數(shù)據(jù)造成高于其SRF的高阻抗,在達(dá)到某個點之后,會開始呈現(xiàn)電容性阻抗特性。選擇的電感SRF會限制在SPI至RS-485/RS-422物理層上使用的最大SPI SCLK,如圖1所示。在長電纜上使用時,可能不會接觸到SRF電感;例如,電纜超過10米時,可能無法達(dá)到11 MHz SPI SCLK速率(產(chǎn)品型號為744043101的SRF)。在其他情況下,在長電纜上運行時,電感SRF可能達(dá)到更低的SPI SCLK速率(2.4 MHz、1.2 MHz)。如前所述,在虛假電源濾波器網(wǎng)絡(luò)中使用時,電感也會限制可允許的最低SCLK速率。
值更大的電感可以采用12.7 mm × 12.7 mm封裝,值更小的電感可以采用4.8 mm × 4.8 mm封裝。
表2顯示在通過權(quán)衡這些對立要求,以最小化電感尺寸時,會因為物理限制(內(nèi)部繞組)等受到限制。
表1.選擇的功率電感參數(shù)
表2.功率電感——對封裝尺寸的限制
選擇合適的直流電壓隔離電容時,受限因素包括瞬態(tài)過電壓額定值和直流電壓額定值。直流電壓額定值需要超過最大的總線電壓偏置值,具體如圖3所示。電路或連接器短路時,電感電流會失衡,會被端電極阻抗消耗。出現(xiàn)短路時,需要設(shè)置隔直電容的額定值,以實現(xiàn)峰值瞬態(tài)電壓。例如,在低功率系統(tǒng)中,電感飽和電流約為1 A時,對應(yīng)的隔直電容額定值至少為直流50 V。4
系統(tǒng)實現(xiàn)
設(shè)計窗口和元件選擇
在RS-485/RS-422長電纜上使用SPI之類的時鐘同步接口,同時在相同的雙絞線(虛假電源)上部署電源和數(shù)據(jù)時,存在多種設(shè)計限制,具體如圖8所示??稍试S的最小SPI SCLK由虛假電源濾波器元件設(shè)置,即SPI數(shù)據(jù)線上的高通濾波器數(shù)據(jù)。最大的SPI SCLK由虛假電源電感自諧振頻率(SRF)或系統(tǒng)傳播延遲設(shè)置,以SPI SCLK值更低者為準(zhǔn)。
圖8.設(shè)計窗口限制。
表3提供建議使用的電感和電容值,對應(yīng)的最小SPI SCLK通過模擬圖5確定,使用圖6和公式1作為指導(dǎo)。其中,假設(shè)VDROOP為VPEAK的99%。最小的SPI SCLK也會考慮最糟糕的場景,如圖7所示,其中所有數(shù)據(jù)突波位都處于邏輯高電平。對應(yīng)的電纜長度根據(jù)圖2預(yù)估。最大SPI SCLK由系統(tǒng)傳播延遲或電感SRF值設(shè)置。
下面是一個計算示例。
要確定最大SPI SCLK:
● 指明系統(tǒng)所需的電纜長度。在本例中,我們選擇使用10米長的RS-485/RS-422電纜。
● 使用圖2確定系統(tǒng)可允許的最大SPI SCLK。電纜10米長時,約采用2.6 MHz SPI SCLK。將最大SPI SCLK降低10%,以獲取LC元件容差,從而提供2.3 MHz SPI SCLK??稍试S的最大SPI SCLK也可能受選擇的電感的SRF限制。
要確定最小SPI SCLK:
● 考慮SPI協(xié)議,其中MISO線路上的所有位都處于邏輯高電平。在本例中,我們選擇使用16位SPI協(xié)議,其中會在32 SCLK瞬態(tài)期間對16位SPI MISO數(shù)據(jù)采樣。如果所有16位都處于邏輯高電平,那么有效位的速率為2.3 MHz / 32 = 72 kHz。
● 按照圖5,在VTX上的方波為72 kHz時,可以使用多個L和C值來模擬電纜VRX遠(yuǎn)端上的電壓波形。在電纜長度增加時,電感值和電感封裝尺寸會增加。電容值也會增加。
● L和C值的選擇可變,具體由所需的壓降設(shè)置決定,如圖6所示。在本例中,假設(shè)VDROOP = VPEAK × 99%。
● 在VTX上使用100 µH電感、3.3 µF電容和72 kHz方波時,會產(chǎn)生7 µs TDROOP,其中VDROOP = VPEAK × 99%。
● 6 µs至7 µs TDROOP相當(dāng)于2.3 MHz至2.6 MHz SPI SCLK。
● 如果選擇100 µH (744043101)電感,2.6 MHz SPI SCLK低于11 MHz電感SRF。
如果使用100 µH電感和3.3 µF電容,可以最大限度減小元件的PCB面積。使用更大的電感時,例如1000 µH或2200 µH,元件的PCB面積可能增大3倍。最大的SPI SCLK理論值由電感SRF設(shè)置,這實際上是不可能的,例如,在11 MHz時在沒有時鐘補償?shù)南到y(tǒng)中使用100 µH (744043101)。
表3.各種虛假電源濾波器元件
如果使用更大的電感,例如2200 µH,網(wǎng)絡(luò)需要更多電容和電阻來衰減系統(tǒng)諧振。額外的元件用藍(lán)色表示,在圖9中標(biāo)記為RDAMP (1 kΩ)和CDAMP (47 µF)。
實驗設(shè)置
圖10所示為ADI公司的有線CbM評估平臺,因此被稱為Pioneer 1。此系統(tǒng)使用第一部分所示的SPI至RS-485/RS-422設(shè)計解決方案。Pioneer 1也包括ADcmXL3021寬帶寬、低噪聲、三軸MEMS加速度計,將高性能和多種信號處理功能結(jié)合到一起,以簡化CbM系統(tǒng)中的智能傳感器節(jié)點開發(fā)。SPI至RS-485/RS-422從機將ADcmXL3021 SPI輸出通過10米電纜返回到主機控制器,以實施振動數(shù)據(jù)分析。SPI至RS-485設(shè)計使用虛假電源100 µH電感和3.3 µF電容來最小化從機接口解決方案的尺寸,該方案的大小為26 mm × 28 mm(不包括接口連接器)。
圖9.增加更多系統(tǒng)衰減,以支持更大的電感和電容濾波器。
圖10.Pioneer 1基于狀態(tài)監(jiān)控的有線評估系統(tǒng)。
虛假電源線上的交流數(shù)據(jù)波形
圖11和表4顯示在SPI主機和從機上,以及在RS-485/RS-422差分電壓總線上測量的電壓。這些電壓使用圖10中的示例應(yīng)用設(shè)置測量。模擬信號1(黃色)和2(藍(lán)色)是表示MISO信號(紫色)的總線壓差,在SPI從機輸出端測量。數(shù)字信號4(黃色)顯示在主機控制器上采樣的MISO。SPI主機上的MISO信號與SPI從機上的MISO的極性和相位匹配,且無傳播延遲。
表4.測量的示波器通道和信號
圖11.在SPI主機和從機上,以及在RS-422差分電壓總線上測量的電壓。
虛假電源線上的直流正確性
圖12表示ADcmXL3021正常模式,其中包括SPI協(xié)議,該協(xié)議在MISO上發(fā)送16位數(shù)據(jù)突波,之后空閑一段時間(最短16 µs),然后再發(fā)送另一個16位數(shù)據(jù)突波。
在虛假電源網(wǎng)絡(luò)中,使用100 µH電感和3.3 µF電容:
● 在幀末尾(EOF),RS-485/RS-422總線電壓衰減回到穩(wěn)定的直流狀態(tài)。
● 空閑期直流穩(wěn)定狀態(tài)要求差分電壓RS-422 B-A > 500 mV,用于反映ADcmXL3021 MISO高阻狀態(tài),以及確保ADM4168E收發(fā)器輸出上提供邏輯0。如圖4中的濾波器電路所示,如果使用500 Ω電阻,即可確保這個空閑狀態(tài)的正確性。
● 下一個幀起始(SOF)將從低電平正確瞬變到高電平,或者保持低電平,具體由ADcmXL3021的MISO數(shù)據(jù)輸出決定。
● 空閑期RS-485/RS-422總線穩(wěn)定狀態(tài)不與SPI SCLK邊緣對應(yīng),所以隨機噪聲不會影響這段時間內(nèi)的SPI MISO數(shù)據(jù)采樣。
在虛假電源網(wǎng)絡(luò)中,使用1000 µH電感和4.7 µF電容:
uADcmXL3021 MISO輸出之后依次出現(xiàn)EOF、空閑期和SOF,在空閑期,總線電壓電平不會衰減回到500 mV最低直流穩(wěn)定狀態(tài)??赡艹霈F(xiàn)一定的電壓電平衰減,但不會衰減到500 mV。
圖12.虛假電源線上的直流正確性。
有線評估解決方案
ADI公司開發(fā)出Pioneer 1有線系統(tǒng)評估解決方案,以支持ADcmXL3021三軸MEMS加速度計。如維基百科指南所述,Pioneer 1評估套件也可以利用擴展板,支持表5所示的MEMS器件。
表5.適用于MEMS傳感器的有線評估解決方案
參考資料
1 Richard Anslow和Dara O’Sullivan。“為工業(yè)4.0啟用可靠的基于狀態(tài)的有線監(jiān)控——第1部分。”ADI公司,2019年7月。
2 “IEEE 802.3bu-2016——IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)——修正案8:單根平衡雙絞線以太網(wǎng)由數(shù)據(jù)線供電(PoDL)的電線的物理層和管理參數(shù)。”IEEE,2017年2月。
3 Andy Gardner。“PoDL:去耦網(wǎng)絡(luò)演示。”凌力爾特,2014年5月。
4 Andy Gardner。“PoDL瞬時連接器和電纜短路。”凌力爾特,2014年9月。
作者簡介
Richard Anslow是ADI公司自動化與能源業(yè)務(wù)部互連運動和機器人團隊的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他的專長領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監(jiān)測和工業(yè)通信設(shè)計。他擁有愛爾蘭利默里克大學(xué)頒發(fā)的工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式:richard.anslow@analog.com。
Dara O’Sullivan是ADI公司自動化與能源業(yè)務(wù)部互連運動和機器人團隊的系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理。他的專長領(lǐng)域是工業(yè)運動控制應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換、控制和監(jiān)測。Dara擁有愛爾蘭科克大學(xué)工程學(xué)士、工程碩士和博士學(xué)位。自2001年起,Dara便從事研究、咨詢和工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)與可再生能源應(yīng)用方面的工作。聯(lián)系方式:dara.osullivan@analog.com
推薦閱讀:
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開”超級電容的“外衣”,看看超級電容“超級”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會者蒞臨SPS 2024?展會參觀交流,體驗最新自動化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個新物料
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測量儀
頻率器件
頻譜測試儀
平板電腦