【導讀】工業4.0為遠距離實現邊緣智慧帶來了曙光，而10BASE-T1L以太網絡的數據線供電（PoDL）功能
、高數據傳輸速率以及與以太網絡協議兼容
，也為未來發展鋪路。本文介紹如何在自動化和工業場景中整合新的10BASE-T1L以太網絡物理層標準，將控製器和用戶接口與端點（例如多個傳感器和執行器）相連接，所有組件均使用標準以太網絡接口進行雙向通訊。

工業4.0為遠距離實現邊緣智慧帶來了曙光，而10BASE-T1L以太網絡的數據線供電（PoDL）功能、高數據傳輸速率以及與以太網絡協議兼容，也為未來發展鋪路。本文介紹如何在自動化和工業場景中整合新的10BASE-T1L以太網絡物理層標準
，將控製器和用戶接口與端點（例如多個傳感器和執行器）相連接，所有組件均使用標準以太網絡接口進行雙向通訊。

10BASE-T1L是針對工業連接的物理層標準。其使用標準雙絞線電纜，數據速率高達10 Mbps，電力傳輸距離長達1000公尺。低延遲和PoDLgongnengyouzhuyushixianduichuanganqihuozhixingqidengzujiandeyuanchengkongzhi。benwenjieshaoruheshixianyigenenggoutongbukongzhilianggehuogengduobujinmadadeyuanchengzhujixitong，jiecizhanshiyuanjulishishitongxundenengli。

係統概述

圖1是係統級應用的示意圖。在主機端，由 ADIN1100 和 ADIN1200 以太網絡PHY負責管理標準鏈路和10BASE-T1L鏈路之間的轉換，而在遠程，控製器透過 ADIN1110 以太網絡MAC-PHY與鏈路接口
，隻需要一個SPI周邊來交換數據和命令。準確的同步運動控製利用Trinamic TMC5160 步(bu)進(jin)馬(ma)達(da)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)驅(qu)動(dong)器(qi)來(lai)實(shi)現(xian)，這(zhe)些(xie)組(zu)件(jian)可(ke)產(chan)生(sheng)六(liu)點(dian)斜(xie)坡(po)用(yong)於(yu)定(ding)位(wei)
，而(er)無(wu)需(xu)在(zai)控(kong)製(zhi)器(qi)上(shang)進(jin)行(xing)任(ren)何(he)計(ji)算(suan)。選(xuan)擇(ze)這(zhe)些(xie)組(zu)件(jian)還(hai)能(neng)降(jiang)低(di)對(dui)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)所(suo)用(yong)周(zhou)邊(bian)、計算能力和代碼大小的要求

，進而支持使用更廣泛的商用產品。
此外，在不超過預定功耗限製的情況下，整個遠程子係統可以直接由數據線供電；因此，隻有媒介轉換器板需要供應區域電源。

 
圖1 : 係統概覽

係統硬件

該係統由四個不同的板組成：

●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準轉換為另一種物理標準

，其可以針對不同的工作模式進行配置。本項目使用標準模式15（媒介轉換器）。EVAL-ADIN1100板並整合微控製器
，用於執行媒介轉換所需的基本配置和讀取診斷信息。但它不能與發送和接收的消息交互
；該板對通訊完全透明。
●EVAL-ADIN1110是遠程組件控製器的核心。ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY透過10BASE-T1L鏈路接收數據，並透過SPI接口將數據傳輸到板載Cortex-M4微控製器進行處理；該板並提供與Arduino Uno兼容的接頭，可利用這些接頭安裝擴展板以增加更多功能。
●TMC5160擴展板為一款基於Arduino擴展板外型尺寸客製的開發板。單一擴展板最多支持兩個TMC5160 SilentStepStick板，多個擴展板可以堆棧在一起以增加可控馬達的最大數量。所有驅動器共享相同的SPI時鍾和數據訊號，但芯片選擇線保持獨立。
此種配置支持兩種通訊模式：ruguoxinpianxuanzexiangezizhiweiyouxiao，zeweikongzhiqikeyiyudanyikongzhiqitongxun
，lirupeizhiyundongcanshu。xiangfan，ruguotongshijiangduotiaoxinpianxuanzexianzhiweiyouxiao，zesuoyouxuandingdequdongqitongshijieshouxiangtongdemingling。houyizhongmoshizhuyaoyongyuyundongtongbu。gaibanhaiweiStepStick提供了一些額外的輸入電容，以降低馬達啟動時的電流峰值，並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NEMA17馬達的整個係統供電（默認設定下，24 V時的最大傳輸功率為12 W）。該板支持使用螺絲端子來簡化與步進馬達的連接，使控製器的相位輸出更容易存取。
●兩個EVAL-ADIN11X0EBZ板用於向係統增加PoDL功能
，其中一個板用於媒介轉換器，另一個用於EVAL-ADIN1110EBZ。該板是一個插件模塊
，可以安裝在評估板的MDI原型接頭上，並且可以配置為透過數據線提供和接收電力。

 
圖2 : 裝配好的EVAL-ADIN1110
、EVAL-ADIN11X0EBZ和TMC5160擴展板

軟件
為(wei)了(le)保(bao)持(chi)代(dai)碼(ma)的(de)輕(qing)量(liang)化(hua)並(bing)有(you)效(xiao)減(jian)少(shao)通(tong)訊(xun)開(kai)銷(xiao)
，沒(mei)有(you)在(zai)數(shu)據(ju)鏈(lian)路(lu)層(ceng)之(zhi)上(shang)實(shi)現(xian)標(biao)準(zhun)通(tong)訊(xun)協(xie)議(yi)。所(suo)有(you)訊(xun)息(xi)都(dou)是(shi)透(tou)過(guo)預(yu)定(ding)義(yi)固(gu)定(ding)格(ge)式(shi)的(de)以(yi)太(tai)網(wang)絡(luo)幀(zhen)的(de)有(you)效(xiao)載(zai)荷(he)字(zi)段(duan)進(jin)行(xing)交(jiao)換(huan)。數(shu)據(ju)被(bei)組(zu)織(zhi)成(cheng)46字節的數據段，一個數據段由2字節的固定標頭和44字節的數據字段組成。標頭包括：一個8位組件類型字段
，用於確定如何處理接收的數據
；以及一個8位組件ID字段
，如果存在多個相同類型的組件，可以透過ID來選擇單一物理組件。

 
圖3 : 通訊協議格式

主機接口采用Python編寫，以確保與Windows和Linux主機兼容。以太網絡通訊透過Scapy模塊進行管理

，該模塊允許在堆棧的每一層（包括以太網絡數據鏈路）建立、發送、接收和運算數據包。

xieyizhongdingyidemeizhongzujiandouyouyigexiangyingdeleibie，qizhongbaokuoyongyuchucunyaojiaohuandeshujudeshuxing
，yijiyizukeyongyuxiugaizhexieshuxingerbubizhijiebianjibianliangdefangfa。liru
，ruoyaozai運動控製器的速度模式下更改運動方向，可以使用已定義的方法 "setDirectionCW（）" 和 "setDirectionCCW（） "，而不必手動為方向標誌賦值0或1。每個類別還包括一個"packSegment（）"方法

，該方法根據所考慮的設備組件的預定義格式，以字節數組的形式打包並返回與受控組件對應的數據段。

韌體利用ChibiOS環境以C語言編寫
，其中包括實時操作係統（RTOS）、硬件抽象層（HAL）、周邊驅動程序等工具，使代碼可以在相似的微控製器之間輕鬆移植。項目基於三個自定義模塊：

‧ ADIN1110.c是驅動程序，用於支持透過SPI接口與ADIN1110交(jiao)換(huan)數(shu)據(ju)和(he)命(ming)令(ling)。其(qi)括(kuo)用(yong)於(yu)從(cong)組(zu)件(jian)緩(huan)存(cun)器(qi)讀(du)取(qu)和(he)寫(xie)入(ru)數(shu)據(ju)的(de)低(di)層(ceng)通(tong)訊(xun)函(han)數(shu)，以(yi)及(ji)用(yong)於(yu)發(fa)送(song)和(he)接(jie)收(shou)以(yi)太(tai)網(wang)絡(luo)幀(zhen)的(de)高(gao)層(ceng)級(ji)函(han)數(shu)。其(qi)並(bing)包(bao)括(kuo)用(yong)於(yu)在(zai)10BASE-T1L收發器之間建立通訊的函數。通知是否出現新幀的接腳在中斷時讀取，以盡量減少延遲。
‧ TMC5160.c實現了控製TMC5160運動控製qisuoxudequanbuhanshu
，peizhiweiyiquangongnengyundongkongzhiqimoshiyunxing。qishixianlehengsuheweizhikongzhiliangzhongmoshi，yunxushiyongliudianxiepojinxingpinghuazhunquededingwei。yuduogeyundongkongzhiqidetongxuntouguodantiaoSPI總線和多條獨立的芯片選線實現。還提供了一組函數和類型定義來簡化運動同步。
‧ Devices.c是從T1Llianlujieshoudeshujuyulianjiedaokongzhiqidewulizujianzhijiandejiekou。qibaokuoyuzhujijiekouzhongdingyidejiegoutileisidejiegouti，bingqiejuyouzaimeicijieshoudaojuyouxiaoshujudexinzhenshigengxinjiegoutidehanshu。cimokuaihaiyongyuquedingmeicigengxinjiegoutishizhixingnaxiecaozuo，lirunagewuliyundongkongzhiqiyuzaitedingzujiandizhijieshoudaodeminglingxiangguan。

 
圖4 : 固件流程圖

係統亮點和驗證

該項目目的在展示如何在自動化和工業場景中整合新的10BASE-T1L以太網絡物理層標準，將控製器和用戶接口與端點（例如多個傳感器和執行器）連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)。此(ci)應(ying)用(yong)針(zhen)對(dui)多(duo)個(ge)步(bu)進(jin)馬(ma)達(da)的(de)遠(yuan)程(cheng)實(shi)時(shi)控(kong)製(zhi)，廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)工(gong)業(ye)中(zhong)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)自(zi)動(dong)化(hua)任(ren)務(wu)，但(dan)也(ye)可(ke)用(yong)於(yu)輕(qing)型(xing)機(ji)器(qi)人(ren)和(he)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)機(ji)床(chuang)


，例(li)如(ru)桌(zhuo)上(shang)型(xing)3D打印機
、桌麵式銑床和其他類型的笛卡爾繪圖儀。

此外
，還能擴展用於其他類型的執行器和遠程控製組件。相較於具有類似用途的現有接口，其主要特色包括：

‧ 布線簡單，隻需要一根雙絞線。由於支持透過資料線供電
，低功耗組件（如傳感器）可以直接借助此連接供電
，進一步減少所需的布線和連接器數量，並降低整體係統的複雜性、成本和重量。使用PoDL標(biao)準(zhun)的(de)電(dian)力(li)傳(chuan)輸(shu)方(fang)式(shi)
，透(tou)過(guo)數(shu)據(ju)在(zai)線(xian)迭(die)加(jia)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)為(wei)連(lian)接(jie)到(dao)網(wang)絡(luo)的(de)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)。這(zhe)種(zhong)耦(ou)合(he)隻(zhi)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)被(bei)動(dong)組(zu)件(jian)就(jiu)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)
，接(jie)收(shou)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)經(jing)過(guo)濾(lv)波(bo)後(hou)，可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)為(wei)組(zu)件(jian)或(huo)DC-DC轉zhuan換huan器qi供gong電dian，不bu需xu要yao整zheng流liu。隻zhi要yao適shi當dang確que定ding用yong於yu此ci類lei耦ou合he的de組zu件jian大da小xiao
，就jiu可ke以yi實shi現xian一yi個ge高gao效xiao率lv係xi統tong。本ben項xiang目mu中zhong使shi用yong評ping估gu板ban上shang安an裝zhuang的de標biao準zhun組zu件jian
，整zheng體ti效xiao率lv約yue為wei93%（采用24 V電源
，總負載電流為200 mA）。然而此一結果還有很大的改善空間
，事實上，大部分損耗是電源路徑上被動組件的電阻壓降造成的。
‧ 用途廣泛，既可用於最後一哩路連接，也可用於端點連接。ADI 10BASE-T1L組件針對長達1.7公裏的距離進行了測試。其並支持菊煉連接，這對係統複雜性的影響很小。例如使用 ADIN2111 雙端口低複雜度交換芯片可以設計整合菊煉功能的組件，使鏈路也適用於端點網絡。
‧ yiyuyuyizhengheyitaiwangluokongzhiqidexianyoushebeilianjie


，baokuogerenjisuanjihebijibendiannao。shujuzhenzunxunyitaiwangluoshujulianlubiaozhun，suoyouyuyitaiwangluojianrongdexieyidoukeyizaiqizhishangshixian，yincizhixuyaoyigemeijiezhuanhuanqizuoweiwangqiaoyubiaozhunyitaiwangluolianlulianjie。liru
，benxiangmuzhongshiyongdepinggubanEVAL-ADIN1100可用作透明媒介轉換器的參考設計，其僅需要兩個以太網絡PHY和一個可選微控製器用於配置和偵錯。
‧ 高達10 Mbps的高數據速率，全雙工。此特性與菊煉拓撲（在其上可以實現基於工業以太網絡的協議）相互結合，使其可用於需要確定性傳輸延遲的實時應用。
‧ 根據應用的安全性和穩健性要求，收發器和媒介之間的隔離可以透過兼容性耦合或磁耦合實現。

我們對該係統進行多次量測以評估其性能。所有用於與ADIN1110收發器和TMC5160控製器通訊的周邊
，都配置為使用標準硬件配置可達到的最大可能速度。考慮到微控製器具有80 MHz係統頻率，對於運動控製器和ADIN1110收發器，SPI周邊的數據速率分別設定為2.5 MHz和20 MHz。對於TMC5160，透過調整微控製器頻率配置並向IC提供外部頻率訊號，SPI頻率可進一步提高至8 MHz。

對延遲進行評估，請求數據和收到接收響應幀之間的總時間大約為4 ms（500個樣本的平均值，使用Wireshark協議分析儀計算數據請求和相應響應的時間戳之間的差值測得）。我們還進行了其他評估，以確定係統的哪些部分是導致此延遲的原因。結果顯示
，主要原因是RTOS的延時函數，其預留的最小延遲為1 ms

，用於設定TMC5160的讀寫操作間隔

，而所需的延遲約為幾十納秒（nanoseconds），這可以透過定義基於定時器的其他延遲函數來改進，使延遲間隔可以更短。

導致延遲的第二個原因是用於接收幀的Scapy函數，調用此函數後至少需要3 ms的設定時間。在實際應用中，直接使用操作係統的網絡適配器驅動程序來開發接口
，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
，包括會失去與不同操作係統的兼容性並增加代碼複雜度。

 
圖5 : 電源路徑的簡化方案

透過切換GPIObingshiyongshiboqicelianggaoweizhunzhouqi，kecedeweikongzhiqishangshixianhuitiaodezhunqueyunxingshijian，zhiyushiceyunxingshijian
，baokuoduquhejiexijieshoudaodezhen，yijixiangyundongkongzhiqifasongminglingdehanshuyunxingshijian。

表1：實測運行時間

 
第二組量測旨在評估使用PoDL為遠程組件供電時傳輸路徑上的功率損耗。我們用設定為不同電流的電子負載取代運動控製器擴展板進行測試，從0.1 A到0.5 A
，步長為100 mA，以確定哪些組件對功率損耗有較大影響
，進而確定如何改善設計以實現更高的額定電流。

表2：係統效率

圖6 : 每個無源組件的功率損耗與電流的關係

結果顯示，橋式整流器和肖特基二極管D2是造成損耗的主要因素
，兩者均用於極性反接保護。兩個組件可以用基於MOSFETjingtiguanhelixiangerjiguankongzhiqideleisidianluqudai，yihuodegenggaodexiaolv
，tongshiyebuhuishiqushangshubaohunengli。zaijiaogaodianliuxia，yongyushuruheshuchudianyuanlvbodeouhediangandezhiliudianzuzhanzhudaodiwei，yinciweiletigaodianliunengli，haixushiyongjuyougenggaoedingdianliudeleisidiangan。

結論

工業4.0正推動著智慧自動化的發展。ADI Trinamic技術與ADIN1100、ADIN1110
、10BASE-T1L收發器的搭配，有助於控製器對遠至1700公(gong)尺(chi)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)執(zhi)行(xing)器(qi)實(shi)現(xian)遠(yuan)程(cheng)控(kong)製(zhi)
，而(er)無(wu)需(xu)邊(bian)緣(yuan)供(gong)電(dian)。透(tou)過(guo)可(ke)靠(kao)的(de)遠(yuan)程(cheng)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)，可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)在(zai)更(geng)遠(yuan)距(ju)離(li)實(shi)時(shi)控(kong)製(zhi)步(bu)進(jin)馬(ma)達(da)，而(er)不(bu)必(bi)犧(xi)牲(sheng)任(ren)何(he)性(xing)能(neng)或(huo)速(su)度(du)。這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)將(jiang)助(zhu)力(li)工(gong)業(ye)轉(zhuan)型(xing)，可(ke)望(wang)進(jin)一(yi)步(bu)縮(suo)短(duan)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)
，充(chong)分(fen)提(ti)升(sheng)性(xing)能(neng)。

（本文作者Alessandro Leonardi為ADI客戶經理、Giorgio Paganini為米蘭理工大學學生、Fulvio Bagarelli 為ADI技術主管）

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