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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(shí)間:2020-06-16 來(lái)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(jì)周期和測(cè)試時(shí)間,讓工業(yè)CbM解決方案更快地進(jìn)入市場(chǎng)。本文探討了多個(gè)方面,包括選擇合適的MEMS加速度計(jì)和物理層,以及EMC性能和電源設(shè)計(jì)。此外,還包括第一部分介紹的三種設(shè)計(jì)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(jì)解決方案的物理層設(shè)計(jì)考量。
 
為MEMS實(shí)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(zhǎng)電纜上分布SPI之類的時(shí)鐘同步接口,同時(shí)在相同的雙絞線(虛假電源)上部署電源和數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。本文討論以下關(guān)鍵問(wèn)題,并就物理層接口設(shè)計(jì)提供建議:
 
●  管理系統(tǒng)時(shí)間同步
●  推薦的數(shù)據(jù)速率與電纜長(zhǎng)度
●  適用于共用電源和數(shù)據(jù)架構(gòu)的濾波器設(shè)計(jì)和仿真
●  虛假電源結(jié)構(gòu)中的無(wú)源元件性能權(quán)衡
●  元件選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口
●  試驗(yàn)性測(cè)量
 
時(shí)間同步和電纜長(zhǎng)度
 
設(shè)計(jì)SPI至RS-485/RS-422鏈路時(shí),電纜和元件會(huì)影響系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)同步。在長(zhǎng)電纜中傳輸時(shí),SCLK信號(hào)會(huì)在電纜中產(chǎn)生傳播延遲,100米長(zhǎng)的電纜會(huì)延遲約400ns到500 ns。對(duì)于MOSI數(shù)據(jù)傳輸,MOSI和SCLK會(huì)被電纜延遲同等時(shí)間。然而,從從機(jī)MISO發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)會(huì)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(jī)和從機(jī)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(jī)上出現(xiàn)不準(zhǔn)確的SPI MISO采樣。對(duì)于沒(méi)有采用RS-485/RS-422電纜的系統(tǒng),MISO數(shù)據(jù)和SPI SCLK會(huì)以低延遲或無(wú)延遲同步。對(duì)于采用了電纜的系統(tǒng),SPI從機(jī)上的MISO數(shù)據(jù)與SPI SCLK之間存在一個(gè)系統(tǒng)傳播延遲,如圖1中的tpd1所示。回到主機(jī)的MISO數(shù)據(jù)存在兩個(gè)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(shí),會(huì)發(fā)生不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采樣。
 
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
圖1.采用與不采用RS-485/RS-422長(zhǎng)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(zhǎng)度、降低SPI SCLK,或者在主控制器中實(shí)施SPI SCLK補(bǔ)償方案(時(shí)鐘相位偏移)。理論上,系統(tǒng)傳播延遲應(yīng)該小于SCLK時(shí)鐘周期的50%,以實(shí)現(xiàn)無(wú)錯(cuò)通信;在實(shí)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(duì)1.1部分中描述的兩個(gè)SPI至RS-485/RS-422設(shè)計(jì)提供SPI SCLK和電纜長(zhǎng)度指南。這種非隔離設(shè)計(jì)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(jì)還采用了ADI公司的iCoupler®信號(hào)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(jì)會(huì)增加系統(tǒng)傳播延遲,導(dǎo)致不可在更高的SPI SCLK速率下運(yùn)行。在更長(zhǎng)的電纜(超過(guò)30米)中傳輸時(shí),強(qiáng)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(zhǎng)度達(dá)到或超過(guò)30米時(shí),隔離和非隔離設(shè)計(jì)的SPI SCLK和電纜長(zhǎng)度性能相似,如圖2所示。
 
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
圖2.針對(duì)隔離和非隔離設(shè)計(jì)的SPI SCLK和電纜長(zhǎng)度指南。
 
虛假電源
 
背景知識(shí)
 
虛假電源將電源和數(shù)據(jù)部署在一根雙絞線上,在主機(jī)和從機(jī)之間實(shí)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(diǎn)上實(shí)現(xiàn)單連接器解決方案。
 
電源和數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)串聯(lián)電容與數(shù)據(jù)線路耦合,可以保護(hù)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(guò)連接至數(shù)據(jù)線路的電感連接至主機(jī)控制器的電源。如圖3b所示,5V直流電源對(duì)交流數(shù)據(jù)總線實(shí)施偏置。在圖3c中,電流路徑顯示為從機(jī)和主機(jī)之間的IPWR,使用電纜遠(yuǎn)端基于狀態(tài)監(jiān)控(CbM)的從機(jī)傳感器節(jié)點(diǎn)上電感從線路中獲取電源。
 
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
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(huì)部署SPI MISO信號(hào)的RS-485/RS-422轉(zhuǎn)換。圖4描述主機(jī)和從機(jī)SPI至RS-485/RS-422的設(shè)計(jì),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(hào)不能包含直流內(nèi)容或極低頻率的內(nèi)容。
 
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
圖4.SPI至RS-485/RS-422設(shè)計(jì)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(duì)圖4的簡(jiǎn)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(shí),需要考慮最大的RS-485/RS-422總線壓降和壓降時(shí)間,如圖6所示。存在一些標(biāo)準(zhǔn),例如對(duì)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(shí)間如圖6a所示。對(duì)于有些系統(tǒng),最大的可允許壓降和壓降時(shí)間值可能更大,受信號(hào)極性交越點(diǎn)限制,如圖6b所示。
 
壓降和壓降時(shí)間可與圖5中的仿真配對(duì),以確定系統(tǒng)的高通頻率。
 
對(duì)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
 
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
 
在SPI至RS-485/RS-422通信系統(tǒng)中增加虛假電源時(shí),很顯然可允許的最低SPI SCLK速率會(huì)受虛假電源濾波器元件限制。
 
為了實(shí)現(xiàn)不含位錯(cuò)誤的可靠通信,需要考慮最糟糕場(chǎng)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(shí),如圖7所示。如果所有的MISO采樣位都處于邏輯高電平,會(huì)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(gè)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(shí)間同步和電纜長(zhǎng)度”部分所示,電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng),需要的SPI SCLK速率越低。但是,虛假電源會(huì)限制最低的SPI SCLK速率。要平衡這些對(duì)立的要求,就需要小心選擇和確定無(wú)源濾波器元件的特性,尤其是電感。
 
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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。
 
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
圖6.RS-422接收器的壓降和壓降時(shí)間。
 
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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(wú)源元件選擇
 
在選擇合適的功率電感時(shí),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(guò)遠(yuǎn)程供電的MEMS傳感器節(jié)點(diǎn)的總電流要求,額定飽和電流需要更大。
 
此電感不會(huì)給交流數(shù)據(jù)造成高于其SRF的高阻抗,在達(dá)到某個(gè)點(diǎn)之后,會(huì)開始呈現(xiàn)電容性阻抗特性。選擇的電感SRF會(huì)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(zhǎng)電纜上使用時(shí),可能不會(huì)接觸到SRF電感;例如,電纜超過(guò)10米時(shí),可能無(wú)法達(dá)到11 MHz SPI SCLK速率(產(chǎn)品型號(hào)為744043101的SRF)。在其他情況下,在長(zhǎng)電纜上運(yùn)行時(shí),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(shí),電感也會(huì)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(guò)權(quán)衡這些對(duì)立要求,以最小化電感尺寸時(shí),會(huì)因?yàn)槲锢硐拗疲▋?nèi)部繞組)等受到限制。
 
表1.選擇的功率電感參數(shù)
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表2.功率電感——對(duì)封裝尺寸的限制
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選擇合適的直流電壓隔離電容時(shí),受限因素包括瞬態(tài)過(guò)電壓額定值和直流電壓額定值。直流電壓額定值需要超過(guò)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(shí),電感電流會(huì)失衡,會(huì)被端電極阻抗消耗。出現(xiàn)短路時(shí),需要設(shè)置隔直電容的額定值,以實(shí)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(shí),對(duì)應(yīng)的隔直電容額定值至少為直流50 V。4
 
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
 
設(shè)計(jì)窗口和元件選擇
 
在RS-485/RS-422長(zhǎng)電纜上使用SPI之類的時(shí)鐘同步接口,同時(shí)在相同的雙絞線(虛假電源)上部署電源和數(shù)據(jù)時(shí),存在多種設(shè)計(jì)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)。
 
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圖8.設(shè)計(jì)窗口限制。
 
表3提供建議使用的電感和電容值,對(duì)應(yīng)的最小SPI SCLK通過(guò)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(huì)考慮最糟糕的場(chǎng)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(duì)應(yīng)的電纜長(zhǎng)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(gè)計(jì)算示例。
 
要確定最大SPI SCLK:
 
●  指明系統(tǒng)所需的電纜長(zhǎng)度。在本例中,我們選擇使用10米長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí),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(huì)在32 SCLK瞬態(tài)期間對(duì)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?qǐng)D5,在VTX上的方波為72 kHz時(shí),可以使用多個(gè)L和C值來(lái)模擬電纜VRX遠(yuǎn)端上的電壓波形。在電纜長(zhǎng)度增加時(shí),電感值和電感封裝尺寸會(huì)增加。電容值也會(huì)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(shí),會(huì)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(shí),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(shí)際上是不可能的,例如,在11 MHz時(shí)在沒(méi)有時(shí)鐘補(bǔ)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
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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(lái)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(shí)驗(yàn)設(shè)置
 
圖10所示為ADI公司的有線CbM評(píng)估平臺(tái),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(jì)解決方案。Pioneer 1也包括ADcmXL3021寬帶寬、低噪聲、三軸MEMS加速度計(jì),將高性能和多種信號(hào)處理功能結(jié)合到一起,以簡(jiǎn)化CbM系統(tǒng)中的智能傳感器節(jié)點(diǎn)開發(fā)。SPI至RS-485/RS-422從機(jī)將ADcmXL3021 SPI輸出通過(guò)10米電纜返回到主機(jī)控制器,以實(shí)施振動(dòng)數(shù)據(jù)分析。SPI至RS-485設(shè)計(jì)使用虛假電源100 µH電感和3.3 µF電容來(lái)最小化從機(jī)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)。
 
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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。 
 
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圖10.Pioneer 1基于狀態(tài)監(jiān)控的有線評(píng)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(jī)和從機(jī)上,以及在RS-485/RS-422差分電壓總線上測(cè)量的電壓。這些電壓使用圖10中的示例應(yīng)用設(shè)置測(cè)量。模擬信號(hào)1(黃色)和2(藍(lán)色)是表示MISO信號(hào)(紫色)的總線壓差,在SPI從機(jī)輸出端測(cè)量。數(shù)字信號(hào)4(黃色)顯示在主機(jī)控制器上采樣的MISO。SPI主機(jī)上的MISO信號(hào)與SPI從機(jī)上的MISO的極性和相位匹配,且無(wú)傳播延遲。
 
表4.測(cè)量的示波器通道和信號(hào)
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圖11.在SPI主機(jī)和從機(jī)上,以及在RS-422差分電壓總線上測(cè)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(shí)間(最短16 µs),然后再發(fā)送另一個(gè)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(gè)空閑狀態(tài)的正確性。
●  下一個(gè)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(duì)應(yīng),所以隨機(jī)噪聲不會(huì)影響這段時(shí)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(huì)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(huì)衰減到500 mV。
 
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
圖12.虛假電源線上的直流正確性。
 
有線評(píng)估解決方案
 
ADI公司開發(fā)出Pioneer 1有線系統(tǒng)評(píng)估解決方案,以支持ADcmXL3021三軸MEMS加速度計(jì)。如維基百科指南所述,Pioneer 1評(píng)估套件也可以利用擴(kuò)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(píng)估解決方案
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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:?jiǎn)胃胶怆p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(shí)連接器和電纜短路。”凌力爾特,2014年9月。
 
作者簡(jiǎn)介
 
Richard Anslow是ADI公司自動(dòng)化與能源業(yè)務(wù)部互連運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他的專長(zhǎng)領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和工業(yè)通信設(shè)計(jì)。他擁有愛(ài)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(dòng)化與能源業(yè)務(wù)部互連運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理。他的專長(zhǎng)領(lǐng)域是工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換、控制和監(jiān)測(cè)。Dara擁有愛(ài)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
 
 
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