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
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系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)窗口和元件選擇
在RS-485/RS-422長電纜上使用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)。
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(jì)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(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。可允許的最大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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(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)在沒有時(shí)鐘補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)中使用100 μH (744043101)。
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)。
圖7.具有MISO 16位突波（所有都處于邏輯高電平）的SPI協(xié)議。
| 表3.各種虛假電源濾波器元件 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
L(μH)和 產(chǎn)品型號 | C (μF) | 最大 SPI SCLK (MHz) | 最大 SPI SCLK 的設(shè)置因素 | 最小 SPI SCLK | 最大的 RS-485/RS-422 電纜長度（米） |
100 (744043101) | 3.3 | 5.2 | 系統(tǒng)傳播延遲 | 2.6 MHz | 10 |
1000 (76877530) | 4.7 | 2.4 | 電感SRF | 700 kHz | 60 |
2200 (7687714222) | 10 | 1.2 | 電感SRF | 350 kHz | >100 |
實(shí)驗(yàn)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(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(diǎn)開發(fā)。SPI至RS-485/RS-422從機(jī)將ADcmXL3021 SPI輸出通過10米電纜返回到主機(jī)控制器，以實(shí)施振動數(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）。
圖8.設(shè)計(jì)窗口限制。
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(jī)輸出端測量。數(shù)字信號4（黃色）顯示在主機(jī)控制器上采樣的MISO。SPI主機(jī)上的MISO信號與SPI從機(jī)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 | |
|---|---|
參數(shù) | 對封裝尺寸的影響 |
2 數(shù)字 （紅色） | ADcmXL3021 BUSY，在主機(jī)上測量 |
3 數(shù)字 （桔色） | ADcmXL3021 MOSI，在主機(jī)上測量 |
4 數(shù)字 （黃色） | ADcmXL3021 MISO，在主機(jī)上測量 |
5 數(shù)字 （綠色） | ADcmXL3021 SCLK，在主機(jī)上測量 |
6 數(shù)字 （藍(lán)色） | ADcmXL3021 CS，在主機(jī)上測量 |
3 模擬 （紫色） | ADcmXL3021 MISO，在從機(jī)上測量 |
2 模擬 （藍(lán)色） | RS-422 Z引腳總線電壓狀態(tài)，與MISO對應(yīng)； Y和Z的差分電壓，對應(yīng) 3 模擬（紫色）和4 數(shù)字（黃色） |
1 模擬 （黃色） | RS-422 Y引腳總線電壓狀態(tài)，與MISO對應(yīng)； Y和Z的差分電壓，對應(yīng) 3 模擬（紫色）和4 數(shù)字（黃色） |
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。
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(jī)噪聲不會影響這段時(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：
○ ADcmXL3021 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10.Pioneer 1基于狀態(tài)監(jiān)控的有線評估系統(tǒng)。
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(jì)。如維基百科指南所述，Pioneer 1評估套件也可以利用擴(kuò)展板，支持表5所示的MEMS器件。
圖11.在SPI主機(jī)和從機(jī)上，以及在RS-422差分電壓總線上測量的電壓。
| 表5.適用于MEMS傳感器的有線評估解決方案 | ||||
|---|---|---|---|---|
器件 | 噪聲密度 (μg/√Hz) | 范圍 (g) | 帶寬 (Hz) | # 軸 |
ADcmXL3021 | 26 | 50 | 10000 | 3 |
ADXL357 | 80 | 10、20、40 | 1000 | |
ADXL372 | -- | 200 | 3200 | |
ADXL355 | 20 | 2、4、8 | 1000 | |
ADXL313 | 250 | 0.5、1、2、4 | 1600 | |
ADXL363 | 550 | 2、4、8 | 200 | |
ADXL375 | -- | 200 | 1600 | |
ADXL362 | 175 | 2、4、8 | 200 | |
ADXL345 | 420 | 2、4、8、16 | 1600 | |
ADXL350 | -- | 1、2、4、8 | 1600 | |
ADXL343 | 2、4、8、16 | 1600 | ||
| ADXL312 | 340 | 1.5, 3, 6, 12 | 1600 | |
ADXL312 | 1.5、3、6、12 | |||
參考資料
1 Richard Anslow和Dara O’Sullivan?！?nbsp;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) ?！盜EEE，2017年2月。
3 Andy Gardner?！?nbsp;PoDL：去耦網(wǎng)絡(luò)演示 。 ”凌力爾特，2014年5月。
4 Andy Gardner?！?nbsp;PoDL瞬時(shí)連接器和電纜短路 。 ”凌力爾特，2014年9月。
圖12.虛假電源線上的直流正確性。
作者簡介
Richard Anslow是ADI公司自動化與能源業(yè)務(wù)部互連運(yùn)動和機(jī)器人團(tuán)隊(duì)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(jì)。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。
Dara O’Sullivan是ADI公司自動化與能源業(yè)務(wù)部互連運(yùn)動和機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理。他的專長領(lǐng)域是工業(yè)運(yùn)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。
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