为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第2部分

winniewei 提交于 周一, 06/15/2020
为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第2部分

作者:ADI 公司Richard Anslow系统应用工程师|Dara O’Sullivan系统应用工程师

简介

为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——1部分一文中,我们介绍了ADI公司的有线接口解决方案,该方案帮助客户缩短设计周期和测试时间,让工业CbM解决方案更快地进入市场。本文探讨了多个方面,包括选择合适的MEMS加速度计和物理层,以及EMC性能和电源设计。此外,还包括第一部分介绍的三种设计解决方案和性能权衡。本文为第二部分,着重介绍第一部分展示的SPIRS-485/RS-422设计解决方案的物理层设计考量。

MEMS实现有线物理层接口的常见挑战包括管理EMC可靠性和数据完整性。但是,在RS-485/RS-422长电缆上分布SPI之类的时钟同步接口,同时在相同的双绞线(虚假电源)上部署电源和数据时,会带来更多挑战。本文讨论以下关键问题,并就物理层接口设计提供建议:

u  管理系统时间同步

u  推荐的数据速率与电缆长度

u  适用于共用电源和数据架构的滤波器设计和仿真

u  虚假电源结构中的无源元件性能权衡

u  元件选择和系统设计窗口

u  试验性测量

时间同步和电缆长度

设计SPIRS-485/RS-422链路时,电缆和元件会影响系统时钟和数据同步。在长电缆中传输时,SCLK信号会在电缆中产生传播延迟,100米长的电缆会延迟约400ns500 ns。对于MOSI数据传输,MOSISCLK会被电缆延迟同等时间。然而,从从机MISO发送到主机的数据会出现两倍传播延迟,因而不再与SCLK同步。可能的最大SPI SCLK基于系统传播延迟设置,包括电缆传播延迟,以及主机和从机元件传播延迟。

1展示系统传播延迟如何导致SPI主机上出现不准确的SPI MISO采样。对于没有采用RS-485/RS-422电缆的系统,MISO数据和SPI SCLK会以低延迟或无延迟同步。对于采用了电缆的系统,SPI从机上的MISO数据与SPI SCLK之间存在一个系统传播延迟,如图1中的tpd1所示。回到主机的MISO数据存在两个系统传播延迟,如tpd2所示。当数据由于电缆和元件传播延迟而右移时,会发生不准确的数据采样。

图1.采用与不采用RS-485/RS-422长电缆的系统的MISO数据和SPI SCLK同步。

1.采用与不采用RS-485/RS-422长电缆的系统的MISO数据和SPI SCLK同步。

为了防止出现不准确的MISO采样,可以缩短电缆长度、降低SPI SCLK,或者在主控制器中实施SPI SCLK补偿方案(时钟相位偏移)。理论上,系统传播延迟应该小于SCLK时钟周期的50%,以实现无错通信;在实践中,可以将系统延迟限值确定为SCLK40%,这可以作为一般规则。

2针对1.1部分中描述的两个SPIRS-485/RS-422设计提供SPI SCLK和电缆长度指南。这种非隔离设计使用了ADI公司具备高速EMC稳健性的小型RS-485/RS-422器件(ADM3066EADM4168E)。这种隔离设计还采用了ADI公司的iCoupler®信号和电源隔离ADuM5401器件,可以为SPIRS-485/RS-422链路提供更高的EMC稳健性和抗噪声干扰性能。这种设计会增加系统传播延迟,导致不可在更高的SPI SCLK速率下运行。在更长的电缆(超过30米)中传输时,强烈建议增加隔离,以帮助消除接地回路和EMC事件的影响,例如静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT),以及与数据传输电缆耦合的高压浪涌。当电缆长度达到或超过30米时,隔离和非隔离设计的SPI SCLK和电缆长度性能相似,如图2所示。

图2.针对隔离和非隔离设计的SPI SCLK和电缆长度指南。

2.针对隔离和非隔离设计的SPI SCLK和电缆长度指南。

虚假电源

背景知识

虚假电源将电源和数据部署在一根双绞线上,在主机和从机之间实现单电缆解决方案。将数据和电源部署在同一根电缆上,可以在空间有限的边缘传感器节点上实现单连接器解决方案。

电源和数据通过电感电容网络分布在单根双绞线上,具体如图3所示。高频数据通过串联电容与数据线路耦合,可以保护RS-485/RS-422收发器免受直流总线电压影响,如图3a所示。图3所示为通过连接至数据线路的电感连接至主机控制器的电源。如图3b所示,5V直流电源对交流数据总线实施偏置。在图3c中,电流路径显示为从机和主机之间的IPWR,使用电缆远端基于状态监控(CbM)的从机传感器节点上电感从线路中获取电源。

图3.虚假电源物理层的交流和直流电压电平。

3.虚假电源物理层的交流和直流电压电平。

高通滤波器

在本文中,假设将虚假电源电感电容网络部署到两根电缆中,这会部署SPI MISO信号的RS-485/RS-422转换。图4描述主机和从机SPIRS-485/RS-422的设计,以及SPI MISO数据线的虚假电源滤波器电路。滤波器电路采用高通电缆,所以要求传输的数据信号不能包含直流内容或极低频率的内容。

图4.SPI至RS-485/RS-422设计和虚假电源滤波器电路。

4.SPIRS-485/RS-422设计和虚假电源滤波器电路。

5所示为二阶高通滤波器电路,这是对图4的简化演示。RS-485/RS-422发射器的电压输出标记为VTXR1具备15Ω输出电阻。R230 kΩ,是RS-485/RS-422接收器的标准输入电阻。电感(L)和电容(C)值可以选择,以匹配所需的系统数据速率。

选择电感(L)和电容(C)值时,需要考虑最大的RS-485/RS-422总线压降和压降时间,如图6所示。存在一些标准,例如对于单根双绞线以太网2,指出的最大可允许压降和压降时间如图6a所示。对于有些系统,最大的可允许压降和压降时间值可能更大,受信号极性交越点限制,如图6b所示。

压降和压降时间可与图5中的仿真配对,以确定系统的高通频率。

对于衰减出色的系统,高通滤波器截止频率和压降要求之间的关系如公式1.3所示

1

SPIRS-485/RS-422通信系统中增加虚假电源时,很显然可允许的最低SPI SCLK速率会受虚假电源滤波器元件限制。

为了实现不含位错误的可靠通信,需要考虑最糟糕场景下的最低SPI SCLK,例如,当所有的SPI MISO采样位处于逻辑高电平时,如图7所示。如果所有的MISO采样位都处于逻辑高电平,会导致位数据数率低于系统SPI SCLK。例如,如果SPI SCLK2 MHz,且所有16个位都处于逻辑高电平,那么虚假电源LC滤波器网络的速率相当于125 kHzSPI MISO位数率。

时间同步和电缆长度部分所示,电缆长度越长,需要的SPI SCLK速率越低。但是,虚假电源会限制最低的SPI SCLK速率。要平衡这些对立的要求,就需要小心选择和确定无源滤波器元件的特性,尤其是电感。

图5.RS-422发射数据路径和RS-485/RS-422接收数据路径的二阶高通滤波器。

5.RS-422发射数据路径和RS-485/RS-422接收数据路径的二阶高通滤波器。

图6.RS-422接收器的压降和压降时间。

6.RS-422接收器的压降和压降时间。

图7.具有MISO 16位突波(所有都处于逻辑高电平)的SPI协议。

7.具有MISO 16位突波(所有都处于逻辑高电平)的SPI协议。

无源元件选择

在选择合适的功率电感时,需要考虑许多参数,包括足够的电感、额定/饱和电流、自谐振频率(SRF)、低直流电阻(DCR)和封装尺寸。表1提供选择的功率电感和参数。

额定电流需要满足或超过远程供电的MEMS传感器节点的总电流要求,额定饱和电流需要更大。

此电感不会给交流数据造成高于其SRF的高阻抗,在达到某个点之后,会开始呈现电容性阻抗特性。选择的电感SRF会限制在SPIRS-485/RS-422物理层上使用的最大SPI SCLK,如图1所示。在长电缆上使用时,可能不会接触到SRF电感;例如,电缆超过10米时,可能无法达到11 MHz SPI SCLK速率(产品型号为744043101SRF)。在其他情况下,在长电缆上运行时,电感SRF可能达到更低的SPI SCLK速率(2.4 MHz1.2 MHz)。如前所述,在虚假电源滤波器网络中使用时,电感也会限制可允许的最低SCLK速率。

值更大的电感可以采用12.7 mm × 12.7 mm封装,值更小的电感可以采用4.8 mm × 4.8 mm封装。

2显示在通过权衡这些对立要求,以最小化电感尺寸时,会因为物理限制(内部绕组)等受到限制。

1.选择的功率电感参数

产品型号

L (µH)

IRATED(mA)

自谐振

频率(SRF)(MHz)

直流电阻(DCR)

(Ω)

封装尺寸(mm)

744043101

100

290

11

0.6

4.8 × 4.8

LPS8045B-105

1000

230

1.3

3.22

8.0 × 8.0

76877530

1000

300

2.4

3.3

7.8 × 7.0

SDR0805-102KL

1000

210

3.0

4.5

7.8 × 7.8

7687714222

2200

260

1.2

6.5

10 × 10

SRR1208-222KL

2200

280

0.65

4.2

12.7 × 12.7

2.功率电感——对封装尺寸的限制

参数

对封装尺寸的影响

足够高的电感

电感值越高,内部绕组越多,封装尺寸越大。

更高的SRF

SRF越高,内部绕组越少,封装尺寸越小。

更高的额定和饱和电流

内部绕组更少,但封装尺寸更大。

DCR

要实现更低的DCR,电缆需要更粗,且减少绕组。

选择合适的直流电压隔离电容时,受限因素包括瞬态过电压额定值和直流电压额定值。直流电压额定值需要超过最大的总线电压偏置值,具体如图3所示。电路或连接器短路时,电感电流会失衡,会被端电极阻抗消耗。出现短路时,需要设置隔直电容的额定值,以实现峰值瞬态电压。例如,在低功率系统中,电感饱和电流约为1 A时,对应的隔直电容额定值至少为直流50 V4

系统实现

设计窗口和元件选择

RS-485/RS-422长电缆上使用SPI之类的时钟同步接口,同时在相同的双绞线(虚假电源)上部署电源和数据时,存在多种设计限制,具体如图8所示。可允许的最小SPI SCLK由虚假电源滤波器元件设置,即SPI数据线上的高通滤波器数据。最大的SPI SCLK由虚假电源电感自谐振频率(SRF)或系统传播延迟设置,以SPI SCLK值更低者为准。

图8.设计窗口限制。

8.设计窗口限制。

3提供建议使用的电感和电容值,对应的最小SPI SCLK通过模拟图5确定,使用图6和公式1作为指导。其中,假设VDROOPVPEAK99%。最小的SPI SCLK也会考虑最糟糕的场景,如图7所示,其中所有数据突波位都处于逻辑高电平。对应的电缆长度根据图2预估。最大SPI SCLK由系统传播延迟或电感SRF值设置。

下面是一个计算示例。

要确定最大SPI SCLK

u  指明系统所需的电缆长度。在本例中,我们选择使用10米长的RS-485/RS-422电缆。

u  使用图2确定系统可允许的最大SPI SCLK。电缆10米长时,约采用2.6 MHz SPI SCLK。将最大SPI SCLK降低10%,以获取LC元件容差,从而提供2.3 MHz SPI SCLK。可允许的最大SPI SCLK也可能受选择的电感的SRF限制。

要确定最小SPI SCLK

u  考虑SPI协议,其中MISO线路上的所有位都处于逻辑高电平。在本例中,我们选择使用16SPI协议,其中会在32 SCLK瞬态期间对16SPI MISO数据采样。如果所有16位都处于逻辑高电平,那么有效位的速率为2.3 MHz / 32 = 72 kHz

u  按照图5,在VTX上的方波为72 kHz时,可以使用多个LC值来模拟电缆VRX远端上的电压波形。在电缆长度增加时,电感值和电感封装尺寸会增加。电容值也会增加。

u  LC值的选择可变,具体由所需的压降设置决定,如图6所示。在本例中,假设VDROOP = VPEAK × 99%

u  VTX上使用100 µH电感、3.3 µF电容和72 kHz方波时会产生7 µs TDROOP其中VDROOP = VPEAK × 99%

u  6 µs7 µs TDROOP相当于2.3 MHz2.6 MHz SPI SCLK

u  如果选择100 µH (744043101)电感,2.6 MHz SPI SCLK低于11 MHz电感SRF

如果使用100 µH电感和3.3 µF电容,可以最大限度减小元件的PCB面积。使用更大的电感时,例如1000 µH2200 µH,元件的PCB面积可能增大3倍。最大的SPI SCLK理论值由电感SRF设置,这实际上是不可能的,例如,在11 MHz时在没有时钟补偿的系统中使用100 µH (744043101)

3.各种虚假电源滤波器元件

L (µH)和产品型号

C (µF)

最大SPI SCLK (MHz)

最大SPI SCLK的设置因素

最小SPI SCLK

最大的RS-485/RS-422电缆长度(米)

100

(744043101)

3.3

5.2

系统传播延迟

2.6 MHz

10

1000

(76877530)

4.7

2.4

电感SRF

700 kHz

60

2200

(7687714222)

10

1.2

电感SRF

350 kHz

>100

如果使用更大的电感,例如2200 µH,网络需要更多电容和电阻来衰减系统谐振。额外的元件用蓝色表示,在图9中标记为RDAMP (1 kΩ)CDAMP (47 µF)

实验设置

10所示为ADI公司的有线CbM评估平台,因此被称为Pioneer 1。此系统使用第一部分所示的SPIRS-485/RS-422设计解决方案。Pioneer 1也包括ADcmXL3021宽带宽、低噪声、三轴MEMS加速度计,将高性能和多种信号处理功能结合到一起,以简化CbM系统中的智能传感器节点开发。SPIRS-485/RS-422从机将ADcmXL3021 SPI输出通过10米电缆返回到主机控制器,以实施振动数据分析。SPIRS-485设计使用虚假电源100 µH电感和3.3 µF电容来最小化从机接口解决方案的尺寸,该方案的大小为26 mm × 28 mm(不包括接口连接器)。

图9.增加更多系统衰减,以支持更大的电感和电容滤波器。

9.增加更多系统衰减,以支持更大的电感和电容滤波器。

图10.Pioneer 1基于状态监控的有线评估系统。

10.Pioneer 1基于状态监控的有线评估系统。

虚假电源线上的交流数据波形

11和表4显示在SPI主机和从机上,以及在RS-485/RS-422差分电压总线上测量的电压。这些电压使用图10中的示例应用设置测量。模拟信号1(黄色)和2(蓝色)是表示MISO信号(紫色)的总线压差,在SPI从机输出端测量。数字信号4(黄色)显示在主机控制器上采样的MISOSPI主机上的MISO信号与SPI从机上的MISO的极性和相位匹配,且无传播延迟。

4.测量的示波器通道和信号

参数

对封装尺寸的影响

2 数字(红色)

ADcmXL3021 BUSY,在主机上测量

3 数字(桔色)

ADcmXL3021 MOSI,在主机上测量

4 数字(黄色)

ADcmXL3021 MISO,在主机上测量

5 数字(绿色)

ADcmXL3021 SCLK,在主机上测量

6 数字(蓝色)

ADcmXL3021 CS,在主机上测量

3 模拟(紫色)

ADcmXL3021 MISO,在从机上测量

2 模拟(蓝色)

RS-422 Z引脚总线电压状态,与MISO对应;YZ的差分电压,对应 3 模拟(紫色)和4 数字(黄色)

1 模拟(黄色)

RS-422 Y引脚总线电压状态,与MISO对应;YZ的差分电压,对应 3 模拟(紫色)和4 数字(黄色)

图11.在SPI主机和从机上,以及在RS-422差分电压总线上测量的电压。

11.SPI主机和从机上,以及在RS-422差分电压总线上测量的电压。

虚假电源线上的直流正确性

12表示ADcmXL3021正常模式,其中包括SPI协议,该协议在MISO上发送16位数据突波,之后空闲一段时间(最短16 µs),然后再发送另一个16位数据突波。

在虚假电源网络中,使用100 µH电感和3.3 µF电容:

u  在帧末尾(EOF)RS-485/RS-422总线电压衰减回到稳定的直流状态。

u  空闲期直流稳定状态要求差分电压RS-422 B-A > 500 mV,用于反映ADcmXL3021 MISO高阻状态,以及确保ADM4168E收发器输出上提供逻辑0。如图4中的滤波器电路所示,如果使用500 Ω电阻,即可确保这个空闲状态的正确性。

u  下一个帧起始(SOF)将从低电平正确瞬变到高电平,或者保持低电平,具体由ADcmXL3021MISO数据输出决定。

u  空闲期RS-485/RS-422总线稳定状态不与SPI SCLK边缘对应,所以随机噪声不会影响这段时间内的SPI MISO数据采样。

在虚假电源网络中,使用1000 µH电感和4.7 µF电容:

u  ADcmXL3021 MISO输出之后依次出现EOF、空闲期和SOF,在空闲期,总线电压电平不会衰减回到500 mV最低直流稳定状态。可能出现一定的电压电平衰减,但不会衰减到500 mV

图12.虚假电源线上的直流正确性。

12.虚假电源线上的直流正确性。

有线评估解决方案

ADI公司开发出Pioneer 1有线系统评估解决方案,以支持ADcmXL3021三轴MEMS加速度计。如维基百科指南所述,Pioneer 1评估套件也可以利用扩展板,支持表5所示的MEMS器件。

5.适用于MEMS传感器的有线评估解决方案

器件

噪声

g/√Hz)

范围(g)

带宽(Hz)

#

ADcmXL3021

26

50

10000

3

ADXL357

80

102040

1000

3

ADXL372

 

200

3200

3

ADXL355

20

248

1000

3

ADXL313

250

0.5124

1600

3

ADXL363

550

248

200

3

ADXL375

 

200

1600

3

ADXL362

175

248

200

3

ADXL345

420

24816

1600

3

ADXL350

 

1248

1600

3

ADXL343

 

24816

1600

3

ADXL312

ADXL312

340

340

1.5, 3, 6, 12

1.53612

1600

1600

3

3

参考资料

1 Richard AnslowDara O’Sullivan为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——1部分”ADI公司20197月。

2 “IEEE 802.3bu-2016——IEEE以太网标准——修正案8单根平衡双绞线以太网由数据线供电(PoDL)的电线的物理层和管理参数”IEEE20172月。

3 Andy GardnerPoDL去耦网络演示凌力尔特20145月。

4 Andy GardnerPoDL瞬时连接器和电缆短路凌力尔特20149月。

作者简介

Richard AnslowADI公司自动化与能源业务部互连运动和机器人团队的系统应用工程师。他的专长领域是基于状态的监测和工业通信设计。他拥有爱尔兰利默里克大学颁发的工程学士学位和工程硕士学位。联系方式richard.anslow@analog.com

Dara O’SullivanADI公司自动化与能源业务部互连运动和机器人团队的系统应用经理。他的专长领域是工业运动控制应用的功率转换、控制和监测。Dara拥有爱尔兰科克大学工程学士、工程硕士和博士学位。自2001年起,Dara便从事研究、咨询和工业领域的工业与可再生能源应用方面的工作。联系方式:dara.osullivan@analog.com

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