智慧節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)可靠的自動(dòng)化

工業(yè)4.0為遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)邊緣智慧帶來(lái)了曙光，而10BASE-T1L以太網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)線供電（PoDL）功能、高數(shù)據(jù)傳輸速率以及與以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兼容，也為未來(lái)發(fā)展鋪路。本文介紹如何在自動(dòng)化和工業(yè)場(chǎng)景中整合新的10BASE-T1L以太網(wǎng)絡(luò)物理層標(biāo)準(zhǔn)，將控制器和用戶接口與端點(diǎn)（例如多個(gè)傳感器和執(zhí)行器）相連接，所有組件均使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行雙向通訊。
10BASE-T1L是針對(duì)工業(yè)連接的物理層標(biāo)準(zhǔn)。其使用標(biāo)準(zhǔn)雙絞線電纜，數(shù)據(jù)速率高達(dá)10 Mbps，電力傳輸距離長(zhǎng)達(dá)1000公尺。低延遲和PoDL功能有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器或執(zhí)行器等組件的遠(yuǎn)程控制。本文介紹如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠同步控制兩個(gè)或更多步進(jìn)馬達(dá)的遠(yuǎn)程主機(jī)系統(tǒng)，借此展示遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通訊的能力。

系統(tǒng)概述
圖1是系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用的示意圖。在主機(jī)端，由 ADIN1100 和 ADIN1200 以太網(wǎng)絡(luò)PHY負(fù)責(zé)管理標(biāo)準(zhǔn)鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉(zhuǎn)換，而在遠(yuǎn)程，控制器透過(guò) ADIN1110 以太網(wǎng)絡(luò)MAC-PHY與鏈路接口，只需要一個(gè)SPI周邊來(lái)交換數(shù)據(jù)和命令。準(zhǔn)確的同步運(yùn)動(dòng)控制利用Trinamic TMC5160 步進(jìn)馬達(dá)控制器和驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些組件可產(chǎn)生六點(diǎn)斜坡用于定位，而無(wú)需在控制器上進(jìn)行任何計(jì)算。選擇這些組件還能降低對(duì)微控制器所用周邊、計(jì)算能力和代碼大小的要求，進(jìn)而支持使用更廣泛的商用產(chǎn)品。
此外，在不超過(guò)預(yù)定功耗限制的情況下，整個(gè)遠(yuǎn)程子系統(tǒng)可以直接由數(shù)據(jù)線供電；因此，只有媒介轉(zhuǎn)換器板需要供應(yīng)區(qū)域電源。

 
圖1 : 系統(tǒng)概覽

系統(tǒng)硬件
該系統(tǒng)由四個(gè)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，可以將訊息從一種物理標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為另一種物理標(biāo)準(zhǔn)，其可以針對(duì)不同的工作模式進(jìn)行配置。本項(xiàng)目使用標(biāo)準(zhǔn)模式15（媒介轉(zhuǎn)換器）。EVAL-ADIN1100板并整合微控制器，用于執(zhí)行媒介轉(zhuǎn)換所需的基本配置和讀取診斷信息。但它不能與發(fā)送和接收的消息交互；該板對(duì)通訊完全透明。
●EVAL-ADIN1110是遠(yuǎn)程組件控制器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY透過(guò)10BASE-T1L鏈路接收數(shù)據(jù)，并透過(guò)SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨遢dCortex-M4微控制器進(jìn)行處理；該板并提供與Arduino Uno兼容的接頭，可利用這些接頭安裝擴(kuò)展板以增加更多功能。
●TMC5160擴(kuò)展板為一款基于Arduino擴(kuò)展板外型尺寸客制的開(kāi)發(fā)板。單一擴(kuò)展板最多支持兩個(gè)TMC5160 SilentStepStick板，多個(gè)擴(kuò)展板可以堆棧在一起以增加可控馬達(dá)的最大數(shù)量。所有驅(qū)動(dòng)器共享相同的SPI時(shí)鐘和數(shù)據(jù)訊號(hào)，但芯片選擇線保持獨(dú)立。
此種配置支持兩種通訊模式：如果芯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(yùn)動(dòng)參數(shù)。相反，如果同時(shí)將多條芯片選擇線置為有效，則所有選定的驅(qū)動(dòng)器同時(shí)接收相同的命令。后一種模式主要用于運(yùn)動(dòng)同步。該板還為StepStick提供了一些額外的輸入電容，以降低馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)的電流峰值，并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(gè)NEMA17馬達(dá)的整個(gè)系統(tǒng)供電（默認(rèn)設(shè)定下，24 V時(shí)的最大傳輸功率為12 W）。該板支持使用螺絲端子來(lái)簡(jiǎn)化與步進(jìn)馬達(dá)的連接，使控制器的相位輸出更容易存取。
●兩個(gè)EVAL-ADIN11X0EBZ板用于向系統(tǒng)增加PoDL功能，其中一個(gè)板用于媒介轉(zhuǎn)換器，另一個(gè)用于EVAL-ADIN1110EBZ。該板是一個(gè)插件模塊，可以安裝在評(píng)估板的MDI原型接頭上，并且可以配置為透過(guò)數(shù)據(jù)線提供和接收電力。

 
圖2 : 裝配好的EVAL-ADIN1110、EVAL-ADIN11X0EBZ和TMC5160擴(kuò)展板

軟件
為了保持代碼的輕量化并有效減少通訊開(kāi)銷(xiāo)，沒(méi)有在數(shù)據(jù)鏈路層之上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議。所有訊息都是透過(guò)預(yù)定義固定格式的以太網(wǎng)絡(luò)幀的有效載荷字段進(jìn)行交換。數(shù)據(jù)被組織成46字節(jié)的數(shù)據(jù)段，一個(gè)數(shù)據(jù)段由2字節(jié)的固定標(biāo)頭和44字節(jié)的數(shù)據(jù)字段組成。標(biāo)頭包括：一個(gè)8位組件類(lèi)型字段，用于確定如何處理接收的數(shù)據(jù)；以及一個(gè)8位組件ID字段，如果存在多個(gè)相同類(lèi)型的組件，可以透過(guò)ID來(lái)選擇單一物理組件。

 
圖3 : 通訊協(xié)議格式

主機(jī)接口采用Python編寫(xiě)，以確保與Windows和Linux主機(jī)兼容。以太網(wǎng)絡(luò)通訊透過(guò)Scapy模塊進(jìn)行管理，該模塊允許在堆棧的每一層（包括以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路）建立、發(fā)送、接收和運(yùn)算數(shù)據(jù)包。
協(xié)議中定義的每種組件都有一個(gè)相應(yīng)的類(lèi)別，其中包括用于儲(chǔ)存要交換的數(shù)據(jù)的屬性，以及一組可用于修改這些屬性而不必直接編輯變量的方法。例如，若要在運(yùn)動(dòng)控制器的速度模式下更改運(yùn)動(dòng)方向，可以使用已定義的方法 "setDirectionCW（）" 和 "setDirectionCCW（） "，而不必手動(dòng)為方向標(biāo)志賦值0或1。每個(gè)類(lèi)別還包括一個(gè)"packSegment（）"方法，該方法根據(jù)所考慮的設(shè)備組件的預(yù)定義格式，以字節(jié)數(shù)組的形式打包并返回與受控組件對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段。
韌體利用ChibiOS環(huán)境以C語(yǔ)言編寫(xiě)，其中包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、硬件抽象層（HAL）、周邊驅(qū)動(dòng)程序等工具，使代碼可以在相似的微控制器之間輕松移植。項(xiàng)目基于三個(gè)自定義模塊：
? ADIN1110.c是驅(qū)動(dòng)程序，用于支持透過(guò)SPI接口與ADIN1110交換數(shù)據(jù)和命令。其括用于從組件緩存器讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)的低層通訊函數(shù)，以及用于發(fā)送和接收以太網(wǎng)絡(luò)幀的高層級(jí)函數(shù)。其并包括用于在10BASE-T1L收發(fā)器之間建立通訊的函數(shù)。通知是否出現(xiàn)新幀的接腳在中斷時(shí)讀取，以盡量減少延遲。
? TMC5160.c實(shí)現(xiàn)了控制TMC5160運(yùn)動(dòng)控制器所需的全部函數(shù)，配置為以全功能運(yùn)動(dòng)控制器模式運(yùn)行。其實(shí)現(xiàn)了恒速和位置控制兩種模式，允許使用六點(diǎn)斜坡進(jìn)行平滑準(zhǔn)確的定位。與多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器的通訊透過(guò)單條SPI總線和多條獨(dú)立的芯片選線實(shí)現(xiàn)。還提供了一組函數(shù)和類(lèi)型定義來(lái)簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)同步。
? Devices.c是從T1L鏈路接收的數(shù)據(jù)與連接到控制器的物理組件之間的接口。其包括與主機(jī)接口中定義的結(jié)構(gòu)體類(lèi)似的結(jié)構(gòu)體，并且具有在每次接收到具有效數(shù)據(jù)的新幀時(shí)更新結(jié)構(gòu)體的函數(shù)。此模塊還用于確定每次更新結(jié)構(gòu)體時(shí)執(zhí)行哪些操作，例如哪個(gè)物理運(yùn)動(dòng)控制器與在特定組件地址接收到的命令相關(guān)。

 
圖4 : 固件流程圖

系統(tǒng)亮點(diǎn)和驗(yàn)證
該項(xiàng)目目的在展示如何在自動(dòng)化和工業(yè)場(chǎng)景中整合新的10BASE-T1L以太網(wǎng)絡(luò)物理層標(biāo)準(zhǔn)，將控制器和用戶接口與端點(diǎn)（例如多個(gè)傳感器和執(zhí)行器）連接起來(lái)。此應(yīng)用針對(duì)多個(gè)步進(jìn)馬達(dá)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，廣泛用于工業(yè)中的低功耗自動(dòng)化任務(wù)，但也可用于輕型機(jī)器人和數(shù)字控制機(jī)床，例如桌上型3D打印機(jī)、桌面式銑床和其他類(lèi)型的笛卡爾繪圖儀。
此外，還能擴(kuò)展用于其他類(lèi)型的執(zhí)行器和遠(yuǎn)程控制組件。相較于具有類(lèi)似用途的現(xiàn)有接口，其主要特色包括：
? 布線簡(jiǎn)單，只需要一根雙絞線。由于支持透過(guò)資料線供電，低功耗組件（如傳感器）可以直接借助此連接供電，進(jìn)一步減少所需的布線和連接器數(shù)量，并降低整體系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本和重量。使用PoDL標(biāo)準(zhǔn)的電力傳輸方式，透過(guò)數(shù)據(jù)在線迭加的直流電壓為連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備供電。這種耦合只需要使用被動(dòng)組件就可以實(shí)現(xiàn)，接收端的電壓經(jīng)過(guò)濾波后，可以直接為組件或DC-DC轉(zhuǎn)換器供電，不需要整流。只要適當(dāng)確定用于此類(lèi)耦合的組件大小，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效率系統(tǒng)。本項(xiàng)目中使用評(píng)估板上安裝的標(biāo)準(zhǔn)組件，整體效率約為93%（采用24 V電源，總負(fù)載電流為200 mA）。然而此一結(jié)果還有很大的改善空間，事實(shí)上，大部分損耗是電源路徑上被動(dòng)組件的電阻壓降造成的。
? 用途廣泛，既可用于最后一哩路連接，也可用于端點(diǎn)連接。ADI 10BASE-T1L組件針對(duì)長(zhǎng)達(dá)1.7公里的距離進(jìn)行了測(cè)試。其并支持菊煉連接，這對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性的影響很小。例如使用 ADIN2111 雙端口低復(fù)雜度交換芯片可以設(shè)計(jì)整合菊煉功能的組件，使鏈路也適用于端點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。
? 易于與已整合以太網(wǎng)絡(luò)控制器的現(xiàn)有設(shè)備連接，包括個(gè)人計(jì)算機(jī)和筆記本電腦。數(shù)據(jù)幀遵循以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)，所有與以太網(wǎng)絡(luò)兼容的協(xié)議都可以在其之上實(shí)現(xiàn)，因此只需要一個(gè)媒介轉(zhuǎn)換器作為網(wǎng)橋與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)鏈路連接。例如，本項(xiàng)目中使用的評(píng)估板EVAL-ADIN1100可用作透明媒介轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計(jì)，其僅需要兩個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)PHY和一個(gè)可選微控制器用于配置和偵錯(cuò)。
? 高達(dá)10 Mbps的高數(shù)據(jù)速率，全雙工。此特性與菊煉拓?fù)洌ㄔ谄渖峡梢詫?shí)現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議）相互結(jié)合，使其可用于需要確定性傳輸延遲的實(shí)時(shí)應(yīng)用。
? 根據(jù)應(yīng)用的安全性和穩(wěn)健性要求，收發(fā)器和媒介之間的隔離可以透過(guò)兼容性耦合或磁耦合實(shí)現(xiàn)。

我們對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行多次量測(cè)以評(píng)估其性能。所有用于與ADIN1110收發(fā)器和TMC5160控制器通訊的周邊，都配置為使用標(biāo)準(zhǔn)硬件配置可達(dá)到的最大可能速度?？紤]到微控制器具有80 MHz系統(tǒng)頻率，對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制器和ADIN1110收發(fā)器，SPI周邊的數(shù)據(jù)速率分別設(shè)定為2.5 MHz和20 MHz。對(duì)于TMC5160，透過(guò)調(diào)整微控制器頻率配置并向IC提供外部頻率訊號(hào)，SPI頻率可進(jìn)一步提高至8 MHz。
對(duì)延遲進(jìn)行評(píng)估，請(qǐng)求數(shù)據(jù)和收到接收響應(yīng)幀之間的總時(shí)間大約為4 ms（500個(gè)樣本的平均值，使用Wireshark協(xié)議分析儀計(jì)算數(shù)據(jù)請(qǐng)求和相應(yīng)響應(yīng)的時(shí)間戳之間的差值測(cè)得）。我們還進(jìn)行了其他評(píng)估，以確定系統(tǒng)的哪些部分是導(dǎo)致此延遲的原因。結(jié)果顯示，主要原因是RTOS的延時(shí)函數(shù)，其預(yù)留的最小延遲為1 ms，用于設(shè)定TMC5160的讀寫(xiě)操作間隔，而所需的延遲約為幾十納秒（nanoseconds），這可以透過(guò)定義基于定時(shí)器的其他延遲函數(shù)來(lái)改進(jìn)，使延遲間隔可以更短。
導(dǎo)致延遲的第二個(gè)原因是用于接收幀的Scapy函數(shù)，調(diào)用此函數(shù)后至少需要3 ms的設(shè)定時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，直接使用操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)適配器驅(qū)動(dòng)程序來(lái)開(kāi)發(fā)接口，而不借助Scapy等第三方工具也能有所改善。然而，這樣做也有一些缺點(diǎn)，包括會(huì)失去與不同操作系統(tǒng)的兼容性并增加代碼復(fù)雜度。

 
圖5 : 電源路徑的簡(jiǎn)化方案
透過(guò)切換GPIO并使用示波器測(cè)量高位準(zhǔn)周期，可測(cè)得微控制器上實(shí)現(xiàn)回調(diào)的準(zhǔn)確運(yùn)行時(shí)間，至于實(shí)測(cè)運(yùn)行時(shí)間，包括讀取和解析接收到的幀，以及向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送命令的函數(shù)運(yùn)行時(shí)間。

表1：實(shí)測(cè)運(yùn)行時(shí)間

 
第二組量測(cè)旨在評(píng)估使用PoDL為遠(yuǎn)程組件供電時(shí)傳輸路徑上的功率損耗。我們用設(shè)定為不同電流的電子負(fù)載取代運(yùn)動(dòng)控制器擴(kuò)展板進(jìn)行測(cè)試，從0.1 A到0.5 A，步長(zhǎng)為100 mA，以確定哪些組件對(duì)功率損耗有較大影響，進(jìn)而確定如何改善設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)更高的額定電流。

表2：系統(tǒng)效率

圖6 : 每個(gè)無(wú)源組件的功率損耗與電流的關(guān)系

結(jié)果顯示，橋式整流器和肖特基二極管D2是造成損耗的主要因素，兩者均用于極性反接保護(hù)。兩個(gè)組件可以用基于MOSFET晶體管和理想二極管控制器的類(lèi)似電路取代，以獲得更高的效率，同時(shí)也不會(huì)失去上述保護(hù)能力。在較高電流下，用于輸入和輸出電源濾波的耦合電感的直流電阻占主導(dǎo)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(lèi)似電感。
結(jié)論
工業(yè)4.0正推動(dòng)著智慧自動(dòng)化的發(fā)展。ADI Trinamic技術(shù)與ADIN1100、ADIN1110、10BASE-T1L收發(fā)器的搭配，有助于控制器對(duì)遠(yuǎn)至1700公尺的傳感器和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，而無(wú)需邊緣供電。透過(guò)可靠的遠(yuǎn)程控制方法，可以輕松在更遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)控制步進(jìn)馬達(dá)，而不必犧牲任何性能或速度。這些系統(tǒng)解決方案將助力工業(yè)轉(zhuǎn)型，可望進(jìn)一步縮短響應(yīng)時(shí)間，充分提升性能。
（本文作者Alessandro Leonardi為ADI客戶經(jīng)理、Giorgio Paganini為米蘭理工大學(xué)學(xué)生、Fulvio Bagarelli 為ADI技術(shù)主管）