为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控 — 第2部分

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。

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V_TX 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 V_DROOP = VPEAK × 99%。

◆   在 V_TX 上使用100 µH电感、3.3 µF电容和72 kHz方波时，会产生7 µs T_DROOP ，其中V_DROOP = V_PEAK × 99%。

◆   6 µs至7 µs T_DROOP 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)。

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)。

图7.具有MISO 16位突波（所有都处于逻辑高电平）的SPI协议。

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8.设计窗口限制。

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。

图9.增加更多系统衰减，以支持更大的电感和电容滤波器。

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10.Pioneer 1基于状态监控的有线评估系统。

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。

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。

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。

图12.虚假电源线上的直流正确性。

作者简介

Richard Anslow是ADI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。

Dara O’Sullivan是ADI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。