【導(dǎo)讀】對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)(CbM)傳感器開發(fā)，單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)或10BASE-T1L比標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)更具顯著優(yōu)勢(shì)，包括縮小傳感器尺寸、降低復(fù)雜性和低成本布線選項(xiàng)。本文將討論如何為CbM傳感器設(shè)計(jì)一款小巧的共享電源和數(shù)據(jù)接口(PoDL)。本文還將討論完整傳感器解決方案的電源設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、MEMS傳感器選型以及軟件設(shè)計(jì)。
由IEEE制定的新型單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)或10BASE-T1L物理層標(biāo)準(zhǔn)，為傳輸設(shè)備運(yùn)行狀況信息實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)(CbM)應(yīng)用提供了新的連接解決方案。SPE提供共享電源和高帶寬數(shù)據(jù)架構(gòu)，可通過(guò)低成本雙線電纜在超過(guò)1000米的距離實(shí)現(xiàn)10 Mbps數(shù)據(jù)和電源的共享。
ADI公司設(shè)計(jì)了業(yè)界首款10BASE-T1L MAC-PHY(ADIN1110)，這是一款集成MAC的單對(duì)以太網(wǎng)收發(fā)器。ADIN1110使用簡(jiǎn)單的SPI總線與嵌入式微控制器通信，從而可降低傳感器的功耗并減少固件開發(fā)時(shí)間。
在本文中，您將了解如何設(shè)計(jì)一款體型小巧但功能強(qiáng)大的傳感器，如圖1所示。本文將介紹：
● 如何設(shè)計(jì)小型共享數(shù)據(jù)和電源通信接口
● 如何為傳感器設(shè)計(jì)超低噪聲電源
● 微控制器和軟件架構(gòu)選擇
● 選擇合適的MEMS振動(dòng)傳感器
● 集成數(shù)字硬件設(shè)計(jì)和機(jī)械外殼
● 電腦上的數(shù)據(jù)采集UI示例
圖1. 10BASE-T1L單對(duì)以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)（振動(dòng)）傳感器原型。
如何設(shè)計(jì)小型共享數(shù)據(jù)和電源通信接口
● 什么是PoDL？
電源和數(shù)據(jù)通過(guò)電感電容網(wǎng)絡(luò)分布在單對(duì)雙絞線上，具體如圖2所示。高頻數(shù)據(jù)通過(guò)串聯(lián)電容與數(shù)據(jù)線路耦合，同時(shí)保護(hù)ADIN1100 10BASE-T1L PHY免受直流母線電壓影響，如圖2(a)所示。圖2所示為通過(guò)連接至數(shù)據(jù)線路的耦合電感連接到PSE（供電設(shè)備）控制器的電源。如圖2(b)所示，24 VDC電源對(duì)交流數(shù)據(jù)總線實(shí)施偏置。在圖2(c)中，PSE和PD（受電器件）之間的電流路徑顯示為IPWR，使用CbM傳感器節(jié)點(diǎn)上的耦合電感從線路中提取電源。
圖2. 共享電源和數(shù)據(jù)線(PoDL)的基本原理。
● 如何設(shè)計(jì)小型PoDL電路？
圖2中包含耦合電感和串聯(lián)電容，這些是PoDL工作所需的基本元件。此外，還需使用其他元件以確保魯棒性和容錯(cuò)性。
由于PoDL耦合電感屬于非理想元件，因此會(huì)發(fā)生一定程度的差模至共模轉(zhuǎn)換。這種共模噪聲會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量。將共模扼流圈連接到靠近電纜連接器的位置有助于減輕這種非理想特性，并保護(hù)設(shè)計(jì)免受電纜共模噪聲的影響。還需要檢查共模扼流圈載流量和DCR，確保其能夠?yàn)閭鞲衅魈峁┳銐虻墓β省?/p>
為防止極性電纜安裝錯(cuò)誤（例如，將PSE PHY的24 VDC錯(cuò)接到PD PHY的0 VDC），建議使用橋式整流二極管。為了確保EMC魯棒性，需使用工作電壓大于24 VDC的TVS二極管。如果傳感器硬件設(shè)計(jì)體積較大，還可以使用其他EMC元件（例如，在信號(hào)線上配置高壓電容）。
使用所有這些元件設(shè)計(jì)小型PoDL電路可能并不那么簡(jiǎn)單，但幸運(yùn)的是，大多數(shù)供應(yīng)商都針對(duì)整流二極管、TVS二極管和無(wú)源元件提供具有尺寸優(yōu)勢(shì)的解決方案。通常，必須選擇具有超低電容的元件，盡可能地減少信號(hào)失真。建議耦合電感和電容分別為220 μH和220 nF，但在仿真或測(cè)試中可以采用更大的值以留出設(shè)計(jì)裕量。表1列出了可用于傳感器設(shè)計(jì)的一系列小尺寸元件。
表2. 功率電感——對(duì)封裝尺寸的限制
耦合電感的額定電流需要滿足或超過(guò)遠(yuǎn)程供電MEMS傳感器節(jié)點(diǎn)的總電流要求。LPD5030-224MRB的額定電流至少為240 mA，大大超過(guò)了10BASE-T1L傳感器節(jié)點(diǎn)的要求。由于額定電流要求相對(duì)較低，因此可以減小電感尺寸。表2顯示，4.8 mm × 4.8 mm LPD5030-224MRB是滿足10BASE-T1L鏈路要求的最小元件。
表2. 功率電感——對(duì)封裝尺寸的限制
如何檢查PoDL電路是否能夠正常工作？
用于10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019標(biāo)準(zhǔn)中概述了PHY要滿足的電氣規(guī)格，包括電壓電平、時(shí)序抖動(dòng)、功率譜密度、回波損耗和信號(hào)下降（衰減）。PoDL電路會(huì)對(duì)通信通道產(chǎn)生影響，其中回波損耗和信號(hào)衰減（或下降）是兩個(gè)重要因素。
回波損耗可以衡量網(wǎng)絡(luò)上因電纜鏈路各處阻抗不匹配而產(chǎn)生的信號(hào)反射。回波損耗以分貝為單位，對(duì)于10BASE-T1L中采用的高數(shù)據(jù)速率或長(zhǎng)電纜距離(1700 m)通信尤為重要。圖3顯示了單對(duì)以太網(wǎng)(SPE) 10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)(10SPE)物理層或MDI的LTspice?仿真電路。該仿真電路針對(duì)ADI公司的ADIN1110或ADIN1100 10BASE-T1L以太網(wǎng)PHY/MAC-PHY采用100 Ω ±10%端接電阻。信號(hào)耦合電容、功率耦合電感、共模扼流圈和其他EMC保護(hù)元件均進(jìn)行建模仿真。功率耦合電感標(biāo)稱值為1000 μH，相當(dāng)于兩個(gè)220 μH的雙繞組電感（880 μH加上裕量）。對(duì)于某些元件，使用LTspice蒙特卡羅語(yǔ)法添加建議的元件值和容差范圍。圖4顯示了相應(yīng)的蒙特卡羅仿真波形和使用LTspice添加的限值線。所選元件和容差將滿足回波損耗掩模規(guī)格。
圖3. 使用LTspice蒙特卡羅函數(shù)進(jìn)行的MDI回波損耗仿真。
圖4. 蒙特卡羅仿真波形。
如何設(shè)計(jì)超低噪聲電源
有線狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器具有嚴(yán)格的抗擾度要求。對(duì)于鐵路、自動(dòng)化和重工業(yè)（例如紙漿和紙張加工）的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，振動(dòng)傳感器解決方案需要輸出低于1 mV的噪聲，以避免在數(shù)據(jù)采集/控制器處觸發(fā)錯(cuò)誤的振動(dòng)水平。這意味著電源設(shè)計(jì)向測(cè)量電路（MEMS信號(hào)鏈）輸出的噪聲必須非常低（低輸出紋波）。MEMS傳感器的電源設(shè)計(jì)還必須具備抗干擾能力，不受共享電源和數(shù)據(jù)線上耦合噪聲的影響（高PSRR）。
要確保MEMS傳感器能夠檢測(cè)到極小的振動(dòng)，需要使用極低噪聲電源。ADXL1002 MEMS加速度計(jì)的輸出電壓噪聲密度規(guī)格為25 μg√Hz。在正常工作期間，MEMS電源需要滿足或超過(guò)此規(guī)格，以避免降低傳感器的性能。
有線CbM傳感器通常由24 VDC至30 VDC電源供電，需使用具有高輸入范圍和高效率的降壓轉(zhuǎn)換器，以盡可能地降低功耗并提升傳感器的長(zhǎng)期可靠性。由于具有非理想容性負(fù)載，降壓轉(zhuǎn)換器的電壓紋波可能有幾十毫伏，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減小降壓輸出紋波電壓。但在降壓輸出端需要使用一個(gè)超低噪聲LDO穩(wěn)壓器，以確保為MEMS傳感器提供只有微伏級(jí)噪聲的電源。
為10BASE-T1L傳感器原型供電
圖5顯示了數(shù)字有線MEMS傳感器的一種電源設(shè)計(jì)。其中的LT8618專為工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)，具有以下特性：
● 寬輸入范圍高達(dá)60 V
● 低輸出電流100 mA
● 效率高達(dá)90%
● 微型2 mm × 2 mm LQFN封裝
圖5顯示LT8618具有24 VDC輸入，可調(diào)節(jié)至3.7 V后輸入 LT3042，從而為MEMS傳感器電路提供3.3 V電源。
圖5. 數(shù)字有線MEMS傳感器的電源設(shè)計(jì)。
LT3042是一款高性能、超低噪聲LDO穩(wěn)壓器，具有以下特性：
● 0.8 μV rms時(shí)提供超低有效值噪聲（10 Hz至100 kHz）
● 超高PSRR（1 MHz時(shí)為79 dB）
● 微型3 mm × 3 mm DFN封裝
此文中的圖19和圖20顯示了在LT3042輸入端施加EMC干擾時(shí)的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，即使LT3042的輸入端存在1 V p-p EMC干擾，其電壓紋波也小于200 μV。
集成數(shù)字硬件設(shè)計(jì)和機(jī)械外殼
MEMS振動(dòng)傳感器的封裝采用鋼材或鋁材外殼，能夠牢固連接在受監(jiān)控設(shè)備上，并提供防水和防塵性能(IP67)。對(duì)于振動(dòng)傳感器，外殼的固有頻率必須大于由MEMS傳感器測(cè)量的所施加振動(dòng)負(fù)載的固有頻率。
ADXL1002 MEMS的頻率響應(yīng)曲線如圖6所示。ADXL1002的3 dB帶寬為11 kHz，諧振頻率為21 kHz。用于封裝ADXL1002的保護(hù)外殼在靈敏度軸上需要具有21 kHz或更高的一階固有頻率。同樣，在設(shè)計(jì)三軸傳感器時(shí)，需在垂直方向和徑向分析機(jī)械外殼的固有頻率。
圖6. MEMS和機(jī)械外殼頻率響應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
在模態(tài)激振器上對(duì)傳感器原型進(jìn)行測(cè)試，該模態(tài)激振器提供了一個(gè)受控環(huán)境，可設(shè)置振動(dòng)試驗(yàn)電壓和掃描頻率。傳感器頻率響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果應(yīng)與圖6所示的MEMS傳感器信息相吻合。
模態(tài)分析
模態(tài)分析是一種便于我們充分了解外殼振動(dòng)特性的常用技術(shù)。模態(tài)分析可以提供設(shè)計(jì)的固有頻率和正常模式（相對(duì)變形）。對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真可使用基于ANSYS或類似程序的有限元方法(FEM)，這樣有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)和減少傳感器原型制作的迭代次數(shù)。
方程1是單自由度系統(tǒng)模態(tài)分析控制方程的簡(jiǎn)化形式。固有頻率與外殼設(shè)計(jì)的質(zhì)量矩陣(M)和剛度矩陣(K)有關(guān)。方程1提供了一種簡(jiǎn)單、直觀的設(shè)計(jì)評(píng)估方法。如果降低傳感器外殼的高度，剛度增大，質(zhì)量減小，因此，固有頻率提高。此外，如果增加外殼的高度，剛度減小，質(zhì)量增大，固有頻率隨之降低。
大多數(shù)設(shè)計(jì)都具有多個(gè)自由度。有些設(shè)計(jì)具有數(shù)百自由度。利用有限元方法可以快速得出方程1的計(jì)算結(jié)果，如果采用手動(dòng)計(jì)算則非常耗費(fèi)時(shí)間。
當(dāng)使用ANSYS模態(tài)進(jìn)行仿真時(shí)，固有頻率和模式參與因子(MPF)均由求解器輸出。MPF用于確定哪些固有頻率對(duì)于您的設(shè)計(jì)最為重要。如果MPF相對(duì)較高，則意味著設(shè)計(jì)中可能存在某個(gè)特定頻率的問(wèn)題。表3中的示例表明，在仿真中預(yù)測(cè)到x軸的固有頻率為500 Hz時(shí)，模式為弱激勵(lì)，不太可能成為問(wèn)題。在外殼x軸激勵(lì)800 Hz強(qiáng)模式時(shí)，如果MEMS敏感軸的方向和外殼x軸的方向一致，這將是個(gè)問(wèn)題。但是，如果設(shè)計(jì)人員將MEMS傳感器PCB的方向定位在外殼的z軸上測(cè)量，那么這個(gè)x軸的800 Hz強(qiáng)模式可能無(wú)關(guān)緊要。
表3. 固有頻率(Freq, Hz)、模式參與因子(MPF)和相關(guān)軸
10BASE-T1L傳感器原型的模態(tài)分析
ANSYS作為一種先進(jìn)高效的工具，可用于分析結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)，此外了解基礎(chǔ)方程將有助于設(shè)計(jì)。基礎(chǔ)方程表明，外殼固有頻率會(huì)受到材料選擇和幾何形狀的影響。與矩形相比，圓柱形的橫截面積更大，其設(shè)計(jì)更有助于在所有軸上實(shí)現(xiàn)更高的剛度和固有頻率。與圓柱形相比，矩形提供更多的傳感器安裝方向和設(shè)備連接選項(xiàng)。相關(guān)示例和仿真結(jié)果請(qǐng)參閱此文。
10BASE-T1L傳感器原型采用帶寬為1 kHz的三軸MEMS傳感器(ADXL357)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是構(gòu)建一款支持1 kHz以上帶寬的外殼。首先構(gòu)建了一個(gè)矩形外殼設(shè)計(jì)（如圖7所示），然后使用ANSYS進(jìn)行仿真。表4顯示了仿真結(jié)果，其中固有頻率和模式參與因子表明所有三個(gè)軸上的帶寬至少為6 kHz。該設(shè)計(jì)在x軸表面末端使用M6凸耳。使用這些連接點(diǎn)將確保牢固的設(shè)備連接和出色的模態(tài)性能。
圖7. ADXL357三軸MEMS傳感器和ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY電路的外殼。
表4. 10BASE-T1L傳感器原型的固有頻率(Freq, Hz)、模式參與因子(MPF)和相關(guān)軸
選擇合適的MEMS振動(dòng)傳感器
● 選擇加速度計(jì)時(shí)，我們需要注意哪些規(guī)格？
雖然目前沒有任何官方標(biāo)準(zhǔn)可用于振動(dòng)傳感器的分類，但可以通過(guò)這些傳感器的有效分辨率劃分其類別，如圖8所示。很明顯，MEMS加速度計(jì)的覆蓋區(qū)域比壓電傳感器更小。MEMS加速度計(jì)適用于許多特定應(yīng)用領(lǐng)域，例如安全氣囊碰撞檢測(cè)、車輛傾翻檢測(cè)、機(jī)械臂定位、平臺(tái)穩(wěn)定、精確傾斜檢測(cè)等等。MEMS制造商在幾年前才開發(fā)出足以與IEPE振動(dòng)傳感器抗衡的傳感器，因此該技術(shù)仍處于起步階段，有線狀態(tài)監(jiān)測(cè)(CbM)裝置的覆蓋范圍較小，如圖8左側(cè)所示。然而，隨著越來(lái)越多的MEMS供應(yīng)商投資開發(fā)狀態(tài)監(jiān)測(cè)振動(dòng)傳感器解決方案，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年覆蓋范圍會(huì)有所擴(kuò)增。
圖8. 適合有線應(yīng)用的MEMS和壓電傳感器系列
MEMS傳感器的很多優(yōu)勢(shì)逐漸在振動(dòng)傳感器領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。例如，市場(chǎng)上絕大多數(shù)MEMS傳感器都具有以下特點(diǎn)：三軸、集成ADC、數(shù)字濾波、出色的線性度、低成本和低重量，并且尺寸小于壓電傳感器或IEPE/ICP傳感器，如表5所示。雖然對(duì)于非常關(guān)鍵的設(shè)備仍會(huì)繼續(xù)使用IEPE傳感器，但維護(hù)和設(shè)施管理人員也在尋求從非關(guān)鍵設(shè)備中獲取更深入的見解，以提高生產(chǎn)力、效率和可持續(xù)性，盡可能地減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。在這種情況下，將會(huì)使用成本和性能較低的傳感器（無(wú)論是MEMS還是IEPE），這就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：具有出色的噪聲和帶寬性能的單軸IEPE傳感器與三軸MEMS傳感器相比，前者是否始終是更好的選擇？
表5. 不同的加速度計(jì)類型和最重要的設(shè)計(jì)規(guī)格
● 三軸MEMS傳感器與IEPE振動(dòng)傳感器相比如何？
測(cè)試人員對(duì)三軸MEMS加速度計(jì)以絕對(duì)可信度識(shí)別特定故障的效果進(jìn)行了大量測(cè)試，通常性能更高的單軸或雙軸IEPE振動(dòng)傳感器無(wú)法檢測(cè)到這些特定故障，測(cè)試結(jié)果如表6所示。1除非在安裝前采取某些措施了解特定異常，否則單軸振動(dòng)傳感器無(wú)法絕對(duì)肯定地檢測(cè)到軸彎曲、偏心轉(zhuǎn)子、軸承問(wèn)題和轉(zhuǎn)子翹起等故障。當(dāng)只有單軸振動(dòng)傳感器可用時(shí)，可能需要使用其他CbM傳感器（例如電機(jī)電流或磁場(chǎng)傳感器）來(lái)更可靠地識(shí)別某些故障。
在具有出色噪聲和帶寬性能的單軸傳感器與三軸傳感之間需要權(quán)衡取舍，這些額外的軸可以緩解安裝位置的難題，因?yàn)榭梢匀鏅z測(cè)到垂直、水平和軸向振動(dòng)，并提供設(shè)備運(yùn)作情況的深入洞察。根據(jù)表6中所示的結(jié)果，雖然單軸傳感器與三軸MEMS傳感器相比具有更出色的噪聲和帶寬性能，但如果不重定向和重新測(cè)試，也無(wú)法可靠地識(shí)別大多數(shù)故障。
表6. 三軸MEMS加速度計(jì)檢測(cè)到的常見機(jī)器故障的故障頻率特征匯總
● 市場(chǎng)上還有哪些其它振動(dòng)傳感器產(chǎn)品？它們的比較情況如何？
那么，三軸MEMS傳感器如何適應(yīng)振動(dòng)傳感器的頻譜呢？圖9顯示了目前市場(chǎng)上的MEMS振動(dòng)傳感器（基于噪聲與帶寬）概況。其中標(biāo)出IEPE傳感器以供參考，并且突出顯示MEMS傳感器在振動(dòng)傳感器頻譜中的確切位置。很明顯，不同類型的MEMS傳感器自然會(huì)形成集群，我們可以利用其來(lái)分配潛在的用例。例如，將成本最低的傳感器（MEMS三軸）用于關(guān)鍵度較低的設(shè)備，而將成本最高的傳感器(IEPE)用于關(guān)鍵度最高的設(shè)備。單軸IEPE傳感器已投入使用了幾十年，涵蓋從低到高的所有關(guān)鍵應(yīng)用，并且在成本和性能方面都廣為大眾接受，如圖9所示。很容易看出，三軸IEPE傳感器具有與三軸MEMS傳感器相似的性能，但其成本卻高得多。對(duì)于低關(guān)鍵度設(shè)備集群，使用成本高昂的三軸IEPE傳感器不太可行，而這進(jìn)一步體現(xiàn)了一點(diǎn)：三軸MEMS傳感器在噪聲和帶寬性能方面可與某些三軸IEPE傳感器媲美。
圖9. 振動(dòng)傳感器分為三軸MEMS和IEPE以及單軸MEMS和IEPE進(jìn)行比較。
哪種傳感器最適合可部署單對(duì)以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器？為什么？
可部署的單對(duì)以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器起初是為了容納振動(dòng)傳感器而設(shè)計(jì)，但系統(tǒng)架構(gòu)允許使用多種類型（如溫度、壓力、聲音、位置等）的傳感器，無(wú)論是模擬輸出還是數(shù)字輸出，只需對(duì)微控制器固件進(jìn)行少量更改。振動(dòng)傳感器必須采用具有高集成度（放大器、ADC）的小型數(shù)字輸出（SPI或I2C）傳感器，以滿足可部署單對(duì)以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器的尺寸和性能要求。根據(jù)表5所示的規(guī)格選擇了一款三軸數(shù)字輸出MEMS加速度計(jì)。
用低噪聲三軸傳感器代替噪聲更低、帶寬更寬的單軸MEMS傳感器，可以提供更多診斷見解（三軸與單軸）并緩解單軸傳感器帶來(lái)的安裝難題。下一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是功耗。ADXL357在IP6x模塊內(nèi)部產(chǎn)生的自熱效應(yīng)明顯小于其他傳感器，因?yàn)?ADXL357 不需要ADC或運(yùn)算放大器，從而也可減小整體解決方案的尺寸并降低BOM成本。小尺寸解決方案利于打造小巧的機(jī)械外殼并確保出色的模態(tài)頻率性能，如模態(tài)分析部分所述。
具有更高性能的寬帶寬（11 kHz至23 kHz）單軸MEMS傳感器（例如分辨率高達(dá)14位的ADXL100x系列）支持無(wú)縫集成，但可能需使用外部ADC來(lái)保持性能，因?yàn)榇蠖鄶?shù)低功耗微控制器僅集成12位ADC。然而，如果使用合適的微控制器通過(guò)過(guò)采樣和抽取技術(shù)將分辨率提高到12位以上，也可以將單軸模擬輸出MEMS加速度計(jì)輕松集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。請(qǐng)注意，如果所需的分辨率高于13位，則必須使用模擬輸出MEMS或IEPE傳感器，如表7所示。
表7. 高性能MEMS傳感器與IEPE傳感器進(jìn)行比較
微控制器和軟件架構(gòu)選擇
圖10顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的基于振動(dòng)傳感器的MQTT架構(gòu)，圖11顯示了可部署單對(duì)以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器連接到個(gè)人電腦或樹莓派的簡(jiǎn)化方框圖。MQTT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）是用于物聯(lián)網(wǎng)的輕型消息傳輸協(xié)議，允許網(wǎng)絡(luò)客戶端在低帶寬環(huán)境中分發(fā)遙測(cè)數(shù)據(jù)。將MQTT歸為輕型的原因是其消息的代碼占用空間很小。這種發(fā)布與訂閱消息傳輸模式非常適合以較小代碼占用量和網(wǎng)絡(luò)帶寬連接遠(yuǎn)程設(shè)備。MQTT廣泛用于石油和天然氣、汽車、電信和制造業(yè)等眾多行業(yè)領(lǐng)域。發(fā)布者發(fā)送消息，訂閱者接收其關(guān)注的消息。代理將消息從發(fā)布者傳遞給訂閱者。某些MQTT代理能夠處理數(shù)百萬(wàn)個(gè)同時(shí)連接的MQTT客戶端，利用這一點(diǎn)，許多傳感器可以連接到一個(gè)SPE設(shè)備，從而創(chuàng)建一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)管道，如圖10所示。發(fā)布者和訂閱者都是MQTT客戶端，只能與MQTT代理進(jìn)行通信。MQTT客戶端可以是Arduino、樹莓派、ESP32等任何設(shè)備，也可以是Node-RED或MQTTfx等應(yīng)用程序。
圖10. 簡(jiǎn)單的MQTT發(fā)布/訂閱架構(gòu)。
圖11. 可部署單對(duì)以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器框圖。
圖11中的前四個(gè)模塊由傳感器、微控制器、MAC-PHY和媒體轉(zhuǎn)換器組成。該傳感器是一款可以檢測(cè)振動(dòng)的數(shù)字輸出三軸MEMS傳感器。從ADXL357讀取數(shù)據(jù)可采用任何帶有SPI接口的標(biāo)準(zhǔn)低功耗微控制器，如MAX78000或MAX32670。MAX78000具有額外優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)內(nèi)置卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)硬件加速器提供超低功耗邊緣AI處理功能。
將測(cè)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)放入MQTT主題中，以便再次通過(guò)SPI傳輸?shù)組ACPHY。可使用低成本的Cortex?-M4微控制器通過(guò)SPI讀/寫ADIN1110 MACPHY，以啟用各種模式和配置，如“打開”或“關(guān)閉”PoDL、T1L專用、主節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)、1 V或2.4 V。ADIN1110將MQTT數(shù)據(jù)主題轉(zhuǎn)換為10BASE-T1L格式，并通過(guò)300 m長(zhǎng)的IP67級(jí)電纜傳送，具有先進(jìn)的屏蔽特性，可在1700 m內(nèi)保持穩(wěn)健的性能。然后，媒體轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)從10BASE-T1L轉(zhuǎn)換為10BASE-T格式，以便PC或樹莓派解譯數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行處理和顯示。
● ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY
ADIN1110是一款面向工業(yè)應(yīng)用的穩(wěn)健型單端口低功耗10BASE-T1L以太網(wǎng)MAC-PHY收發(fā)器。ADIN1110具有集成的MAC接口，可通過(guò)SPI與各種主機(jī)控制器直接連接。該SPI通信通道可使用低功耗處理器，無(wú)需集成MAC，整體系統(tǒng)級(jí)功耗非常低。ADIN1110設(shè)計(jì)用于樓宇、工廠和過(guò)程自動(dòng)化中部署的邊緣節(jié)點(diǎn)傳感器和現(xiàn)場(chǎng)儀表。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幅度工作模式和外部端接電阻，支持在本安型環(huán)境中使用。ADIN1110支持可編程發(fā)射電平、外部端接電阻和獨(dú)立的接收和發(fā)送引腳，適合各種本質(zhì)安全應(yīng)用。
以太網(wǎng)至現(xiàn)場(chǎng)或邊緣的愿景是將所有傳感器和執(zhí)行器連接到一個(gè)融合IT/OT網(wǎng)絡(luò)。由于其中一些傳感器受功率和空間的限制，因此實(shí)現(xiàn)這一愿景面臨系統(tǒng)工程方面的挑戰(zhàn)。適用于傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用、具備強(qiáng)大內(nèi)部存儲(chǔ)功能的低功耗、超低功耗微控制器市場(chǎng)需求日益增長(zhǎng)。但大多數(shù)這樣的處理器都有同樣的問(wèn)題，那就是沒有集成的以太網(wǎng)MAC，不支持MII、RMII或RGMII媒體獨(dú)立（以太網(wǎng)）接口。傳統(tǒng)的PHY無(wú)法連接到這些處理器/微控制器。
表8中顯示了可部署單對(duì)以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器的固件實(shí)現(xiàn)。
表8. 固件代碼容量
大多數(shù)帶有足量存儲(chǔ)器的低成本Cortex-M4微控制器都適合此應(yīng)用。SPE狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器的軟件架構(gòu)如圖13所示，它由多個(gè)元件組成，相應(yīng)的框圖如圖12所示。微控制器可以輕松處理操作系統(tǒng)(FreeRTOS)和MQTT庫(kù)，以及輕型IP協(xié)議棧或lwIP。lwIP是TCP/IP協(xié)議套件的小型獨(dú)立開源實(shí)現(xiàn)，旨在減少RAM占用，同時(shí)仍提供全面的TCP。FreeRTOS提供的開源操作系統(tǒng)具有詳盡記錄且受到良好支持，因此可輕松添加新的代碼功能塊。lwIP TCP/IP實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是提供全面的傳輸控制協(xié)議(TCP)，同時(shí)減少資源占用，因此lwIP非常適用于具有幾十kB可用RAM和約40 kB代碼ROM的嵌入式系統(tǒng)。還有一些附加應(yīng)用程序，例如用來(lái)提供MQTT功能的MQTT客戶端。MQTT塊配置為發(fā)布/訂閱模式，可提供精簡(jiǎn)、高效的解決方案。在與lwIP協(xié)議棧通信之前，ADIN1110驅(qū)動(dòng)器需先與地址解析協(xié)議(ARP)塊進(jìn)行通信，以確保微控制器與ADIN1110之間能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫網(wǎng)絡(luò)通信。
圖12. 軟件架構(gòu)。
圖13. 傳感器框圖和每個(gè)塊的代碼開發(fā)要求。
PyMQTT是一個(gè)基于Python的庫(kù)擴(kuò)展，支持將MQTT客戶端集成到Web應(yīng)用程序中。它可用于訂閱SPE傳感器、提取數(shù)據(jù)并將其顯示在GUI中，因此能夠有效地充當(dāng)paho-mqtt包的包裝器，以簡(jiǎn)化Python應(yīng)用程序中的MQTT集成。
ADIN2111：集成10BASE-T1L PHY的低復(fù)雜度
2端口以太網(wǎng)交換機(jī)
ADIN2111使用長(zhǎng)距離10BASE-T1L技術(shù)為工廠/樓宇中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)添加以太網(wǎng)連接，從而簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)管理。ADIN2111支持低功耗邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，并通過(guò)SPI與多種主機(jī)控制器連接。ADIN2111等雙端口交換機(jī)可用于在線形或環(huán)形拓?fù)渲惺芗s束的邊緣節(jié)點(diǎn)之間以菊花鏈方式傳輸數(shù)據(jù)。線形或環(huán)形拓?fù)涫枪I(yè)部署中的主要架構(gòu)。每個(gè)設(shè)備需要兩個(gè)端口用于輸入和輸出，因此各需一個(gè)交換機(jī)和兩個(gè)10BASE-T1L PHY（ADIN2111可提供）。
圖14. ADIN2111功能框圖。
ADIN2111可通過(guò)一系列診斷特性監(jiān)控鏈路質(zhì)量并檢測(cè)故障，從而縮短調(diào)試時(shí)間和系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。它支持通過(guò)1千米電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)故障檢測(cè)和故障位置識(shí)別，精度達(dá)到2%，有助于縮短系統(tǒng)停機(jī)和調(diào)試時(shí)間。ADIN2111可利用部署的現(xiàn)有單根雙絞線基礎(chǔ)設(shè)施，使傳感器、執(zhí)行器和控制器網(wǎng)絡(luò)以線形或環(huán)形拓?fù)溥M(jìn)行連接。
數(shù)據(jù)采集與GUI
使用基于Python的GUI可以在時(shí)域和頻域中實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的可視化，如圖15所示。Python GUI是可執(zhí)行文件，因此無(wú)需進(jìn)行代碼開發(fā)（除非您想要對(duì)其進(jìn)行修改）。
圖15. SPE傳感器測(cè)量細(xì)微的20 Hz振動(dòng)。
為了驗(yàn)證SPE傳感器系統(tǒng)的性能，測(cè)試人員進(jìn)行了一系列測(cè)試。失衡負(fù)載測(cè)試可作為一種可靠的方法來(lái)測(cè)試振動(dòng)傳感器的性能，因?yàn)楹苋菀鬃R(shí)別出時(shí)域和頻域特征。圖16左側(cè)為時(shí)域數(shù)據(jù)，右側(cè)為頻域數(shù)據(jù)。關(guān)于在電機(jī)轉(zhuǎn)速或基本速度下對(duì)失衡負(fù)載測(cè)量的振動(dòng)，y軸和z軸上可顯示出與其相關(guān)的清晰正弦信號(hào)。這是因?yàn)閥軸和z軸的定位便于測(cè)量失衡電機(jī)的最大振動(dòng)響應(yīng)。x軸確實(shí)也測(cè)量到一些重復(fù)數(shù)據(jù)，但并非正弦，而且振幅比y軸和z軸至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是在頻域圖上，x軸同y、z軸一樣能清晰顯示出失衡特征，但幅度要高得多。
圖16. SPE傳感器檢測(cè)9 VDC電機(jī)（轉(zhuǎn)子上有偏心重量）的失衡負(fù)載。
為了研究系統(tǒng)的噪聲性能，測(cè)試人員進(jìn)行了另一項(xiàng)測(cè)試：將信號(hào)音發(fā)生器與SPE傳感器放在的同一底板上。人手無(wú)法察覺到振動(dòng)，但ADXL357與10BASE-T1L通信管道相結(jié)合能夠可靠地檢測(cè)到所有三個(gè)軸上的異常。
圖17. 750 Hz振動(dòng)信號(hào)音測(cè)量。
結(jié)論
ADI公司在狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有深厚的專業(yè)知識(shí)，憑借強(qiáng)大的傳感器、功率器件和以太網(wǎng)連接產(chǎn)品組合，幫助設(shè)計(jì)人員打造較理想的設(shè)計(jì)，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中旗開得勝。ADIN1110單對(duì)以太網(wǎng)MAC-PHY是設(shè)計(jì)人員進(jìn)行振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)的明智選擇，可利用以太網(wǎng)IP尋址能力隨時(shí)隨地訪問(wèn)設(shè)備的狀態(tài)信息。
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