作者:Richard Anslow and Chris Murphy
對于狀態監控 (CbM) 傳感器開發,與標準以太網相比,單對以太網 (SPE) 或 10BASE-T1L 具有顯著優勢,包括減小傳感器尺寸、降低復雜性和低成本布線選項。本文將討論如何為CbM傳感器設計微型共享電源和數據接口(PoDL)。本文還將討論電源設計、機械設計、MEMS傳感器選擇和軟件設計,以獲得完整的傳感器解決方案。
介紹
IEEE開發的新型單對以太網(SPE)或10BASE-T1L物理層標準正在提供新的連接解決方案,用于為基于狀態的監控(CbM)應用傳達資產運行狀況見解。SPE 提供共享電源和高帶寬數據架構,其中 10 Mbps 數據和電源在超過 1000 米距離的低成本 2 芯電纜上共享。
ADI公司設計了業界首款10BASE-T1L MAC-PHY(ADIN1110),這是一款具有嵌入式MAC的單對以太網收發器。ADIN1110使用簡單的SPI總線與嵌入式微控制器通信,從而降低了傳感器的功耗和固件開發時間。
在本文中,您將學習如何設計一個小巧但功能強大的傳感器,如圖1所示。本文將介紹:
如何設計小型共享數據和電源通信接口
如何為傳感器設計超低噪聲電源
微控制器和軟件架構選擇
選擇合適的MEMS振動傳感器
集成數字硬件設計和機械外殼
電腦上的數據收集 UI 示例
如何設計小型共享數據和電源通信接口
什么是 PoDL?
電源和數據使用電感電容網絡分布在一根雙絞線上,如圖2所示。高頻數據通過串聯電容耦合到數據線,這還可以保護ADIN1100 10BASE-T1L PHY免受直流總線電壓的影響,如圖2(a)所示。圖2顯示了通過連接到數據線的耦合電感器連接到PSE(供電設備)控制器的電源。The 24 V直流電源偏置交流數據總線,如圖2(b)所示。在圖 2(c) 中,當前路徑顯示為 I壓水堆在PSE和PD(用電設備)之間,使用CbM傳感器節點上的耦合電感器從線路中提取功率。
圖2.共享電源和數據線 (PoDL) 的基本原則。
如何設計小型 PoDL 電路?
圖2包括耦合電感和串聯電容,它們是PoDL操作所需的最基本元件。可靠性和容錯需要額外的組件。
由于PoDL耦合電感是非理想元件,因此會發生一些差分到共模轉換。這種共模噪聲會降低信號質量。將共模扼流圈連接到電纜連接器附近有助于緩解這種非理想行為,并保護設計免受來自電纜的共模噪聲的影響。需要檢查共模扼流圈載流量和DCR,以確保它們能夠支持傳感器的充足功率傳輸。
防止極性電纜安裝不正確,例如,24 V直流的 PSE PHY 連接到 0 V直流PD PHY—建議使用橋式整流二極管。為了提高EMC魯棒性,工作電壓大于24 V的TVS二極管直流是必需的。如果傳感器硬件設計較大,則可以使用其他EMC組件(例如,信號線上的高壓電容器)。
使用所有這些組件設計小型PoDL電路可能具有挑戰性,但幸運的是,大多數供應商都為整流二極管、TVS二極管和無源元件提供了具有競爭力的解決方案。通常,必須選擇具有超低電容的元件,以最大程度地減少信號失真。建議耦合電感和電容值的電感和電容值分別為220 μH和220 nF,但在仿真或設計裕量測試中可以更大。表1列出了可用于傳感器設計的極小尺寸元件。
元件 | 部件號 | 評論 |
共模扼流圈 | 伍爾特744242471 | 470微小時 |
電視 | 柏恩 CDSOD323-T36SC | |
耦合電感器(功率) | 線藝LPD5030-224MRB | 220微小時 |
橋式整流二極管 | 柏恩 CD-HD2006L | |
串聯電容 | 太陽湯殿HMK107C7224KAHTE | E 220 nF |
耦合電感器額定電流需要滿足或超過遠程供電MEMS傳感器節點的總電流要求。LPD5030-224MRB 的額定電流至少為 240 mA,大大超過了對 10BASE-T1L 傳感器節點的要求。由于額定電流要求相對較低,因此可以減小電感器的尺寸。表 2 顯示,4.8 mm × 4.8 mm LPD5030-224MRB 是滿足 10BASE-T1L 鏈路要求的最小組件。
參數 | 對電感器封裝尺寸的影響 | LPD5030-224MRB 值 | 評論 |
足夠高的電感 | 電感值越高,內部繞組越大,封裝尺寸越大。 | 220 微小時 ±20% | 推薦的 PoDL 電感。 |
更高的SRF(自諧振頻率) | SRF 越高,內部繞組越少,尺寸越小。 | 5.53兆赫 |
大于 10BASE-T1L 鏈路上的最大 10 Mbps 數據速率。 |
更高的額定電流和飽和電流 | 內部繞組更少,但封裝尺寸更大。 | 0.24 安培, 0.31 安培 | 超過 10BASE-T1L MEMS 傳感器要求。 |
低直流電 | 為了實現更低的DCR,電線需要更粗,繞組更少。 | 3.3 Ω |
很難在更小的封裝中使用較厚的繞組。 |
如何檢查我的 PoDL 電路是否正常工作?
針對 10BASE-T1L 的 IEEE 802.3cg-2019 標準概述了 PHY 要滿足的電氣規格,包括電壓電平、定時抖動、功率譜密度、回波損耗和信號下降(衰減)。PoDL電路會影響通信通道,回波損耗和信號衰減(或下降)是兩個重要因素。
回波損耗是網絡上可能發生的信號反射的量度,由電纜鏈路上所有位置的阻抗不匹配引起。回波損耗以分貝表示,對于10BASE-T1L中使用的高數據速率或長電纜距離(1700 m)通信,回波損耗尤其值得關注。圖3(基于Graber的工作1) 顯示了單對以太網 (SPE) 10BASE-T1L 標準 (10SPE) 物理層或 MDI 的 LTspice 仿真電路。仿真電路包括ADI公司的ADIN1110或ADIN1100 10BASE-T1L以太網PHY/MAC-PHY的100 Ω ±10%端接電阻。對信號耦合電容、功率耦合電感、共模扼流圈和其他EMC保護元件進行了建模。功率耦合電感標稱值為1000 μH,占兩個220 μH電感,每個電感有兩個繞組(880 μH加裕量)。對于某些元件,推薦的元件值和容差范圍是使用LTspice蒙特卡羅語法添加的。圖4顯示了使用LTspice添加的相應的蒙特卡羅仿真波形和極限線。所選元件和容差將符合回波損耗模板規格。?
圖3.使用LTspice蒙特卡羅函數進行MDI回波損耗仿真。
圖4.蒙特卡羅模擬波形。
如何設計超低噪聲電源
有線狀態監測傳感器具有嚴格的抗噪性要求。對于鐵路、自動化和重工業(例如紙漿和造紙加工)的CbM,振動傳感器解決方案需要輸出小于1 mV的噪聲,以避免在數據采集/控制器處觸發錯誤的振動水平。這意味著電源設計需要向測量電路(MEMS信號鏈)輸出非常小的噪聲(低輸出紋波)。MEMS傳感器的電源設計還必須不受耦合到共享電源和數據電纜的噪聲的影響(高PSRR)。
確保MEMS傳感器能夠檢測到非常小的振動需要非常低的噪聲電源。ADXL1002 MEMS加速度計的輸出電壓噪聲密度規格為25 μg√Hz。在正常工作期間,MEMS電源需要滿足或超過此規格,以避免降低傳感器性能。
有線 CbM 傳感器通常由 24 V 供電直流至 30 V直流,這就需要具有高輸入范圍和高效率的降壓轉換器,以最大限度地降低功耗并提高傳感器的長期可靠性。由于非理想容性負載,降壓轉換器電壓紋波可能為10毫伏,不適合為3 V/5 V MEMS傳感器供電。使用共模扼流圈或大容量電容可以降低降壓輸出紋波電壓。但是,降壓輸出端需要超低噪聲LDO穩壓器,以確保為MEMS傳感器提供微伏噪聲電源。
為 10BASE-T1L 傳感器原型供電
圖5顯示了數字有線MEMS傳感器的電源設計。LT8618 專為具有以下特點的工業傳感器而設計:
高達 60 V 的寬輸入范圍
低輸出電流 100 mA
效率高達 90%
微型 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
圖5顯示了24 V電壓的LT8618直流輸入,調節至3.7 V,然后輸入至LT3042,LT3042為MEMS傳感器電路提供3.3 V電壓。
圖5.數字有線MEMS傳感器的電源設計。
LT?3042 是一款高性能超低噪聲 LDO 穩壓器,具有:
0.8 μV rms(10 Hz至100 kHz)時的超低均方根噪聲
超高公共磁比(1 MHz 時為 79 dB)
微型 3 mm × 3 mm DFN 封裝
文章“如何使用LTspice進行EMC仿真獲得最佳結果—第1部分”2詳細介紹了LTspice仿真電路,并討論了LT8618和LT3042的EMC性能。本文中的圖 19 和圖 20 顯示了在 LT3042 輸入端施加 EMC 干擾時的仿真結果。這表明LT3042的電壓紋波小于200 μV,即使其輸入端存在1 V p-p EMC干擾。
集成數字硬件設計和機械外殼
鋼或鋁外殼用于容納MEMS振動傳感器,并為受監控資產提供牢固的附件,并提供防水和防塵(IP67)。對于振動傳感器,外殼的固有頻率必須大于MEMS傳感器測量的施加振動載荷的頻率。
ADXL1002 MEMS的頻率響應圖如圖6所示。ADXL1002 3 dB帶寬為11 kHz,諧振頻率為21 kHz。用于容納ADXL1002的保護外殼需要在靈敏度軸上具有21 kHz或更高的第一固有頻率。同樣,在設計三軸傳感器時,需要在垂直和徑向方向上分析機械外殼的固有頻率。
圖6.MEMS和機械外殼頻率響應設計目標。
傳感器原型在模態振動臺上進行測試,模態振動臺提供了一個受控的環境來設置振動測試水平并掃描頻率。傳感器頻率響應的測試結果應與圖6所示的MEMS傳感器信息緊密一致。
模態分析
模態分析是一種常用的技術,用于深入了解外殼的振動特性。模態分析提供設計的固有頻率和法線模態(相對變形)。使用ANSYS或類似程序的有限元方法(FEM)可用于仿真結構的模態響應,從而有助于優化設計并減少傳感器原型迭代次數。
公式1是單自由度系統的模態分析控制方程的簡化。固有頻率與外殼設計的質量矩陣 (M) 和剛度矩陣 (K) 有關。公式1提供了一種簡單直觀的設計評估方法。隨著傳感器外殼高度的減小,剛度增加,質量減小,因此固有頻率增加。此外,隨著外殼高度的增加,剛度會降低,質量會增加,從而導致固有頻率降低。
大多數設計具有多個自由度。有些設計有數百個。使用有限元方法可以快速計算公式1,手動計算非常耗時。
使用ANSYS模態進行仿真時,求解器會輸出固有頻率和模式參與因子(MPF)。MPF 用于確定哪些固有頻率對您的設計最重要。相對較高的MPF意味著特定頻率可能是設計中的問題。表3所示的示例表明,雖然在x軸仿真中預測了500 Hz的固有頻率,但該模式是弱激勵的,不太可能成為問題。800 Hz強模式在外殼x軸上被激勵,如果MEMS敏感軸在外殼x軸上定向,則會出現問題。但是,如果設計人員具有面向外殼z軸測量的MEMS傳感器PCB,則對800 Hz的這種x軸強模式不感興趣。
模式 | 頻率,赫茲 | 軸 | 強積金 |
強積金評論 |
1 | 500 | x | 0.001 | 弱模式 |
2 | 800 | x | 0.45 |
強模式 |
3 | 1500 | y | 0.6 | 強模式 |
4 | 3000 | y | 0.002 |
弱模式 |
5 | 10,000 | z | 0.33 | 強模式 |
10BASE-T1L傳感器原型的模態分析
文章“如何使用模態分析設計一個好的振動傳感器外殼”3提供了模態分析的詳細概述。雖然ANSYS是分析結構模態響應的高效而復雜的工具,但了解基礎方程將有助于設計。基本方程表明,外殼固有頻率受材料選擇和幾何形狀的影響。與矩形相比,具有較高橫截面積的圓柱形設計得更好,可在所有軸上實現更高的剛度和固有頻率。與圓柱形相比,矩形在傳感器方向和設備連接方面提供了更多選擇。有關示例和模擬結果,請參閱文章。
10BASE-T1L傳感器原型采用三軸1 kHz帶寬MEMS傳感器(ADXL357)設計,設計目標是創建支持大于1 kHz的外殼。如圖7所示,創建了一個矩形外殼設計,并使用ANSYS進行仿真。表4顯示了仿真結果,固有頻率和模式參與因子表明,所有三個軸的帶寬至少為6 kHz。該設計在 x 軸表面末端使用 M6 凸耳。使用這些連接點將確保牢固的設備連接和最佳的模態性能。
圖7.用于ADXL357三軸MEMS傳感器和ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY電路的外殼。
模式 | 頻率,赫茲 | 軸 | 強積金 |
1 | 11663 | x | 6080 |
2 | 6632 | y |
0.057 |
3 | 30,727 | y | 0.187 |
4 | 6080 | z |
0.370 |
選擇合適的MEMS振動傳感器
選擇加速度計時需要注意哪些規格?
雖然沒有對振動傳感器進行分類的官方標準,但可以使用其有效分辨率將它們分類,如圖8所示。可以清楚地看到,與壓電傳感器相比,MEMS加速度計覆蓋的面積很小。MEMS加速度計專為許多特定應用而設計,例如安全氣囊碰撞檢測、車輛側翻檢測、機械臂定位、平臺穩定、精密傾斜檢測等等。MEMS制造商僅在幾年前開發出足以與IEPE振動傳感器競爭的傳感器,因此,該技術仍處于起步階段,因此有線CbM安裝的覆蓋范圍較小,如圖8左側所示。然而,隨著越來越多的MEMS供應商投資于狀態監測振動傳感器解決方案,預計未來幾年這一數字將增長。
圖8.用于有線應用的MEMS和壓電傳感器系列。
MEMS傳感器具有一些優勢,這些優勢在振動傳感器領域被證明是顛覆性的。例如,市場上絕大多數MEMS傳感器具有三軸、集成ADC、數字濾波、出色的線性度、低成本和低重量,與壓電或IEPE/ICP傳感器相比,它們非常小,如表5所示。雖然IEPE傳感器將繼續用于最關鍵的資產,但維護和設施經理正在尋求從不太重要的資產中提取更深入的見解,以轉向提高生產力,效率和可持續性 - 即最大限度地減少計劃外停機時間并延長資產的使用壽命。在這種情況下,無論是MEMS還是IEPE,都將使用成本和性能更低的傳感器,這就提出了一個問題:具有卓越噪聲和帶寬性能的單軸IEPE傳感器是否總是比具有三軸的MEMS傳感器更好的選擇?
模式 | ADXL357 | ADXL1002 | 壓電傳感器 (603C01) |
尺寸(毫米) | 6 × 5.6 × 2.2 | 5 × 5 × 1.8 | 18 × 42.2 |
集成模數轉換器 | 是的 | 不 | 不 |
哈哈軸 |
3 | 1 | 1 |
電源 (V) | 2.25 到 3.6 | 3.3 到 5.25 |
18 到 28 |
接口 | SPI | 模擬 | 模擬 |
重量(g) | <0.2 | <0.2 | 51 |
噪音(微克/√赫茲) | 80 | 25 | 350 |
帶寬(千赫) | 1 | 11 | 10 |
電流消耗 | 200 微安 | 1毫安 | 2 mA 至 20 mA |
3軸MEMS傳感器與IEPE振動傳感器相比如何?
如表6所示,已經對三軸MEMS加速度計的有效性進行了廣泛的測試,以絕對的置信度識別高性能單軸甚至雙軸IEPE振動傳感器無法檢測到的特定故障。1單軸振動傳感器無法絕對確定地檢測到彎曲軸、偏心轉子、軸承問題和翹起轉子等故障,除非在安裝前努力了解特定的異常情況。當只有一個單軸振動傳感器可用時,將需要其他CbM傳感器,如電機電流或磁場,以更可靠地識別某些故障。
具有卓越噪聲和帶寬的單軸傳感器與三軸傳感之間存在權衡,這些額外的軸可以緩解安裝位置挑戰,因為將檢測到所有垂直、水平和軸向振動,并提供對資產操作的更深入見解。根據表6中的結果,如果不重新定向和重新測試,單軸傳感器就無法可靠地識別大多數故障,即使它比三軸MEMS傳感器具有更好的噪聲和帶寬。
故障 | 頻譜特征 | 可通過 1 軸檢測 | 筆記 | ||
可通過 z 軸(垂直)檢測 | 可通過 y 軸(水平)檢測 | 可通過 x 軸(軸向)檢測 | 可靠的單軸檢測 | ||
不平衡負載 |
基本 (1×) |
基本 (1×) | 9×、10× | 是的 | 額外的軸為測量提供了更大的信心 |
偏心轉子 | 基本 (1×) | 3× | 不 | 軸向特征清楚地指示轉子偏心 | |
翹起轉子 |
基本 (1×) | 3×, 4×, 5×, 6×, 7×, 8×, 9×, 10× | 不 | 高諧波時的軸向特征可清楚地識別翹起的轉子 | |
彎曲軸 | 基本 (1×) | 基本 (1×) | 3× | 可能 |
軸向特征清楚地指示彎曲的軸 |
北京交通便利組織 | 3× (北京交通便利化), 4× | 3× (北京交通便利化), 4× | 是的 | x 軸上的單軸測量會錯過這一點 | |
BPFI | 基本 (1×) | 5× (BPFI) | 不 | 在 x 軸或 z 軸上測量會錯過此故障 |
還有哪些其他振動傳感器可用,它們如何比較?
那么,3軸MEMS傳感器如何適應振動傳感器頻譜呢?圖9顯示了目前可用的MEMS振動傳感器的概述,基于其噪聲與帶寬的關系。IEPE傳感器僅供參考,并幫助突出顯示MEMS傳感器在振動傳感器頻譜中的確切位置。很明顯,不同類型的MEMS傳感器自然而然地形成了集群,我們可以用來分配潛在的用例,例如,成本最低的傳感器(MEMS三軸)將用于較低的關鍵性資產,而最高成本的傳感器(IEPE)將用于最高關鍵性的資產。單軸IEPE傳感器已經使用了幾十年,涵蓋了從低關鍵性到高關鍵性應用的所有領域,并且在成本和性能方面非常普遍,如圖9所示。很明顯,三軸IEPE傳感器具有與三軸MEMS傳感器相似的性能,但成本要高得多。對于低關鍵性資產集群,由于成本高,使用三軸IEPE傳感器是不可行的,但這進一步突出了三軸MEMS傳感器在噪聲和帶寬方面可以與一些三軸IEPE傳感器競爭的觀點。
圖9.三軸MEMS和IEPE以及單軸MEMS和IEPE的振動傳感器的比較。
哪種傳感器最適合可部署的單對以太網調節監控傳感器,為什么?
可部署的單對以太網狀態監測傳感器設計用于容納振動傳感器,但系統架構允許使用多種類型的傳感器,例如溫度、壓力、聲音、位置等,無論是模擬輸出還是數字輸出,只需對微控制器固件進行最小的更改。振動傳感器必須很小,數字輸出(SPI或I2C)具有高集成度(放大器、ADC),以滿足可部署的單對以太網狀態監測傳感器的尺寸和性能要求。根據表5所示的規格選擇3軸數字輸出MEMS加速度計。
選擇低噪聲三軸傳感器而不是低噪聲、帶寬更寬的單軸MEMS傳感器,以提供更多的診斷見解(3軸與1軸),并緩解與單軸傳感器相關的安裝挑戰。下一個關鍵考慮因素是功耗,與其他傳感器相比,ADXL357在IP6x模塊內產生的自發熱效應較小,因為ADXL357不需要ADC或運算放大器,從而減小了整體解決方案尺寸和BOM成本。減小的解決方案尺寸可確保較小的機械外殼和良好的模態頻率性能,如模態分析部分所述。
更高性能、單軸、寬帶寬(11 kHz至23 kHz)MEMS傳感器,如具有高達14位分辨率的ADXL100x系列,可以無縫集成,但這可能需要外部ADC來保持性能,因為大多數低功耗微控制器僅集成12位ADC。然而,使用合適的微控制器,可以使用過采樣和抽取將分辨率提高到12位以上,這意味著單軸模擬輸出MEMS加速度計可以毫不費力地集成到現有系統中。請注意,如果您需要優于13位的分辨率,則必須使用模擬輸出MEMS或IEPE傳感器,如表7所示。
傳感器 | 范圍 (±g) | 峰峰值輸出范圍 (V) | 通道數 | 線性度 (±%FSR) | 靜電放電(微克/√赫茲) | 1/f 角落 (赫茲) | 平坦帶寬 (千赫) | 噪聲平坦帶寬(微克有效值) | DR @ 平坦帶寬 (dB) | ENOB at Flat BW |
諧振頻率 (千赫) |
ADXL1002 |
50 |
4 | 1 | 0.1 | 25 | 0.1 | 11 | 2622.02 | 82.60 | 13.43 |
21 |
ADXL1004 | 500 | 4 | 1 | 0.25 | 125 | 0.1 | 24 | 19364.92 | 85.23 | 13.87 | 45 |
ADXL356B |
40 | 1.6 | 3 | ;0.1 | 110 | 0.1 | 1 | 3478.51 | 78.20 | 12.70 | 5.5 |
電路板 621B40 | 500 | 10 | 1 | 1 | 10 | 1000 | 30 | 1732.05 | 104.95 | 17.14 |
85 |
電路板 352C04 | 500 | 10 | 1 | 1 | 4 | 400 | 10 | 400.00 | 118.93 | 19.46 | 50 |
電路板 333B52 | 5 | 10 | 1 | 1 | 0.4 | 1000 | 3 | 21.91 | 98.50 | 16.07 | 20 |
微控制器和軟件架構選擇
圖 10 顯示了一個簡單的基于振動傳感器的 MQTT 架構,圖 11 顯示了與 PC 或 Raspberry Pi 接口的可部署單對以太網調理監控傳感器的高級框圖。消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 是物聯網的輕量級消息傳遞協議,允許網絡客戶端在低帶寬環境中分發遙測數據。MQTT 被認為是輕量級的,因為它的消息具有較小的代碼占用空間。發布和訂閱消息傳輸非常適合以最小的代碼占用量和網絡帶寬連接遠程設備。MQTT 廣泛用于石油和天然氣、汽車、電信和制造業等眾多行業。發布者發送消息,訂閱者接收他們感興趣的消息。代理將消息從發布者傳遞到訂閱者。一些 MQTT 代理處理數百萬個并發連接的 MQTT 客戶端,這是吸引人的功能之一,許多傳感器可以連接到一個 SPE 設備,從而創建傳感器數據管道,如圖 10 所示。發布者和訂閱者都是只能與 MQTT 代理通信的 MQTT 客戶端。MQTT 客戶端可以是任何設備,如 Arduino、Raspberry Pi、ESP32,也可以是 Node-RED 或 MQTTfx 等應用程序。
圖 10.MQTT 簡單的發布/訂閱架構。
圖 11.可部署的單對以太網狀態監測傳感器框圖。
圖 11 中的前四個模塊由傳感器、微控制器、MAC-PHY 和媒體轉換器組成。該傳感器是數字輸出三軸MEMS傳感器,可以檢測振動。任何帶有SPI接口的標準低功耗微控制器,如MAX78000或MAX32670,都可用于從ADXL357讀取數據。MAX78000具有額外的優勢,具有內置卷積神經網絡(CNN)硬件加速器,可提供超低功耗邊緣AI處理能力。
測量的振動數據被放入 MQTT 主題中,以便再次通過 SPI 傳輸到 MAC-PHY。低成本Cortex -M4微控制器可用于通過SPI讀取/寫入ADIN1110 MAC-PHY,以實現不同的模式和配置,例如PoDL ON或OFF、T1L專用節點、主節點或子節點、1 V或2.4 V。ADIN1110將MQTT數據主題轉換為10BASE-T1L格式,并傳輸超過300 m的IP67防護等級電纜,具有先進的屏蔽功能,可達到1700 m以上的魯棒性。然后,媒體轉換器將數據從 10BASE-T1L 轉換為 10BASE-T 格式,以便 PC 或 Raspberry Pi 可以解釋數據,然后處理和顯示數據。?
ADIN1110 10堿基-T1L 物理
ADIN1110是一款面向工業應用的可靠、單端口、低功耗10BASE-T1L以太網MAC-PHY收發器。ADIN1110集成MAC接口,可通過SPI與各種主機控制器直接連接。該SPI通信通道支持使用低功耗處理器,無需集成MAC,從而提供最低的整體系統級功耗。ADIN1110專為樓宇、工廠和過程自動化中部署的邊緣節點傳感器和現場儀表而設計。該器件采用1.8 V或3.3 V單電源軌供電,支持1.0 V和2.4 V幅度工作模式以及外部端接電阻,支持在本質安全環境中使用。可編程發射電平、外部端接電阻以及獨立的接收和發送引腳使ADIN1110適合本質安全應用。
以太網到現場或邊緣的愿景是將所有傳感器和執行器連接到融合的IT/OT網絡。為了實現這一愿景,存在系統工程挑戰,因為其中一些傳感器的功率和空間有限。低功耗和超低功耗微控制器市場不斷增長,這些微控制器具有重要的內部存儲器功能,適用于傳感器和執行器應用。但這些處理器中的大多數都有一個共同點 - 沒有集成的以太網MAC,它們不支持MII,RMII或RGMII媒體獨立(以太網)接口。傳統的PHY無法連接到這些處理器/微控制器。
可部署的單對以太網狀態監測傳感器的固件實現如表 8 所示。
內存類型 | 描述 | 大小 (kB) |
總反滲透率(常數) | 代碼 + RO 數據 | 110 |
總內存大小 | RW 數據 + 零初始化數據 | 121 |
總 ROM 尺寸 | 代碼 + RO 數據 + RW 數據 | 110 |
大多數具有足夠存儲器的低成本Cortex-M4微控制器都適合此應用。SPE狀態監測傳感器軟件架構如圖13所示,它由多個元件組成,相應的框圖如圖12所示。微控制器可以輕松處理操作系統 (FreeRTOS) 和 MQTT 庫,以及輕量級 IP 堆棧或 lwIP,這是 TCP/IP 協議套件的小型獨立開源實現,旨在減少 RAM 使用量,同時仍具有全尺寸 TCP。FreeRTOS 提供了一個開源的、文檔非常完善且受支持的操作系統,可以輕松添加新的功能代碼塊。lwIP TCP/IP 實現的目的是提供全面的傳輸控制協議 (TCP),同時減少資源使用,使 lwIP 非常適合用于具有 10 kB 可用 RAM 和大約 40 kB 代碼 ROM 的嵌入式系統。還有一些附加應用程序,例如用于提供 MQTT 功能的 MQTT 客戶端。MQTT 塊配置為發布/訂閱模式,提供簡化、高效的解決方案。ADIN1110驅動器在與lwIP堆棧通信之前需要與地址解析協議(ARP)模塊通信,以確保微控制器與ADIN1110之間的無縫網絡通信。
圖 12.軟件架構。
圖 13.傳感器框圖和每個模塊的代碼開發要求。
PyMQTT是一個基于Python的庫擴展,用于將MQTT客戶端集成到Web應用程序中。它用于訂閱SPE傳感器,提取數據并將其顯示在GUI中,因此,它有效地充當paho-mqtt包的包裝器,以簡化MQTT與Python應用程序的集成。
ADIN2111: 集成10BASE-T1L PHY的低復雜度、2端口以太網交換機
ADIN2111采用長距離10BASE-T1L技術為工廠/建筑物中的每個節點添加以太網連接,從而簡化網絡管理。ADIN2111支持低功耗邊緣節點設計,并通過SPI與各種主機控制器接口。ADIN2111等雙端換機可用于在線路或環形拓撲中的受限邊緣節點之間以菊花鏈方式連接數據。線形和環形拓撲是工業部署中的主要架構。每個器件都需要兩個輸入和輸出端口,因此每個器件都需要一個開關和兩個ADIN2111提供的10BASE-T1L PHY。
圖 14.ADIN2111功能框圖
ADIN2111具有一套診斷功能,可以監控鏈路質量并檢測故障,從而縮短調試時間和系統停機時間。它可以在 1 km 的電纜上以 2% 的精度實現實時故障檢測和故障定位檢測,有助于減少停機時間和調試時間。ADIN2111支持將傳感器、執行器和控制器網絡連接成一條線或環形網絡 拓撲,同時利用現有部署的單雙絞線布線基礎設施。
數據采集和圖形用戶界面
振動數據可以使用基于 Python 的 GUI 在時域和頻域中可視化,如圖 15 所示。Python GUI 是一個可執行文件,因此除非您要修改它,否則不需要進行代碼開發。
圖 15.SPE 傳感器測量難以察覺的 20 Hz 振動。
為了驗證SPE傳感器系統的性能,進行了一系列測試。不平衡負載測試是測試振動傳感器性能的可靠方法,因為時域和頻域特征很容易識別。圖16顯示了左側的時域數據和右側的頻域數據。在 y 軸和 z 軸上,有一個清晰的正弦信號,與電機轉速或基本轉速下的不平衡負載測量的振動相關。這是因為 y 軸和 z 軸的位置是為了測量不平衡電機的最大振動響應。x 軸確實測量一些重復的數據,但它不是正弦的,并且振幅比 y 軸和 z 軸低一個數量級或更多。然而,在頻域圖上,x軸清楚地顯示出不平衡特征,y和z也是如此,但幅度要高得多。
圖 16.SPE 傳感器檢測來自 9 VDC 電機的不平衡負載,轉子上有偏心重物。
為了研究系統的噪聲性能,使用了另一項測試,將音調發生器放置在與SPE傳感器相同的底板上。人手無法察覺振動,但ADXL357與10BASE-T1L通信流水線相結合,可以可靠地檢測所有三個軸上的異常。
圖 17.750 Hz 振動音調測量。
結論
ADI公司在狀態監測領域擁有深厚的專業知識,加上強大的傳感器、功率器件和以太網連接產品組合,使設計人員能夠在第一時間以正確的設計進入市場。ADIN1110單對以太網MAC-PHY是設計人員創建振動傳感器的最佳選擇,振動傳感器可用于通過以太網IP尋址功能隨時隨地訪問資產運行狀況信息。
審核編輯:郭婷
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