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为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第2部分

核心提示: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。

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

在“为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第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SPI至RS-485/RS-422设计解决方案的物理层设计考量。

为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:

 

  • 管理系统时间同步
  • 推荐的数据速率与电缆长度
  • 适用于共用电源和数据架构的滤波器设计和仿真
  • 虚假电源结构中的无源元件性能权衡
  • 元件选择和系统设计窗口
  • 试验性测量
时间同步和电缆长度

设计SPI至RS-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400ns到500 ns。对于MOSI数据传输,MOSI和SCLK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。

图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。

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SCLK的40%,这可以作为一般规则。

图2针对1.1部分中描述的两个SPI至RS-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(ADM3066E和ADM4168E)。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SPI至RS-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。

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。

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SPI至RS-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。

图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VTX,R1具备15Ω输出电阻。R2为30 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

在SPI至RS-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 SCLK为2 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 kHz的SPI MISO位数率。

如“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。

图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。

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SPI至RS-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744043101的SRF)。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 MHz、1.2 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。

表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。

表1.选择的功率电感参数

表2.功率电感——对封装尺寸的限制

系统实现

设计窗口和元件选择

在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。

表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VDROOP为VPEAK的99%。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:

 

  • 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。
  • 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:

 

  • 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16位SPI协议,其中会在32 SCLK瞬态期间对16位SPI 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。
  • 按照图5,在VTX上的方波为72 kHz时,可以使用多个L和C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。
  • L和C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%。
  • 在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%。
  • 6 µs至7 µs TDROOP相当于2.3 MHz至2.6 MHz SPI SCLK。
  • 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 µH或2200 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)。

表3.各种虚假电源滤波器元件

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)和CDAMP (47 µF)。

实验设置

图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SPI至RS-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。SPI至RS-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。SPI至RS-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。

图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

图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MISO。SPI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。

表4.测量的示波器通道和信号

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。

虚假电源线上的直流正确性

图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:

 

  • 在帧末尾(EOF),RS-485/RS-422总线电压衰减回到稳定的直流状态。
  • 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。
  • 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ADcmXL3021的MISO数据输出决定。
  • 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:

 

  • 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。

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。

表5.适用于MEMS传感器的有线评估解决方案

参考资料

1 Richard Anslow和Dara O’Sullivan。“为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第1部分。”ADI公司,2019年7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。”IEEE,2017年2月。

3 Andy Gardner。“PoDL:去耦网络演示。”凌力尔特,2014年5月。

4 Andy Gardner。“PoDL瞬时连接器和电缆短路。”凌力尔特,2014年9月。

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