作者：Richard Anslow and Chris Murphy

對(duì)于狀態(tài)監(jiān)控 （CbM） 傳感器開發(fā)，與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相比，單對(duì)以太網(wǎng) （SPE） 或 10BASE-T1L 具有顯著優(yōu)勢(shì)，包括減小傳感器尺寸、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)微型共享電源和數(shù)據(jù)接口（PoDL）。本文還將討論電源設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、MEMS傳感器選擇和軟件設(shè)計(jì)，以獲得完整的傳感器解決方案。

介紹

IEEE開發(fā)的新型單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）或10BASE-T1L物理層標(biāo)準(zhǔn)正在提供新的連接解決方案，用于為基于狀態(tài)的監(jiān)控（CbM）應(yīng)用傳達(dá)資產(chǎn)運(yùn)行狀況見解。SPE 提供共享電源和高帶寬數(shù)據(jù)架構(gòu)，其中 10 Mbps 數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)了業(yè)界首款10BASE-T1L MAC-PHY（ADIN1110），這是一款具有嵌入式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，從而降低了傳感器的功耗和固件開發(fā)時(shí)間。

在本文中，您將學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)一個(gè)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)收集 UI 示例

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)使用電感電容網(wǎng)絡(luò)分布在一根雙絞線上，如圖2所示。高頻數(shù)據(jù)通過串聯(lián)電容耦合到數(shù)據(jù)線，這還可以保護(hù)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(shù)據(jù)線的耦合電感器連接到PSE（供電設(shè)備）控制器的電源。The 24 V直流電源偏置交流數(shù)據(jù)總線，如圖2（b）所示。在圖 2（c） 中，當(dāng)前路徑顯示為 I壓水堆在PSE和PD（用電設(shè)備）之間，使用CbM傳感器節(jié)點(diǎn)上的耦合電感器從線路中提取功率。

圖2.共享電源和數(shù)據(jù)線 （PoDL） 的基本原則。

如何設(shè)計(jì)小型 PoDL 電路？

圖2包括耦合電感和串聯(lián)電容，它們是PoDL操作所需的最基本元件。可靠性和容錯(cuò)需要額外的組件。

由于PoDL耦合電感是非理想元件，因此會(huì)發(fā)生一些差分到共模轉(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電纜連接器附近有助于緩解這種非理想行為，并保護(hù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)較大，則可以使用其他EMC組件（例如，信號(hào)線上的高壓電容器）。

使用所有這些組件設(shè)計(jì)小型PoDL電路可能具有挑戰(zhàn)性，但幸運(yùn)的是，大多數(shù)供應(yīng)商都為整流二極管、TVS二極管和無源元件提供了具有競(jìng)爭(zhēng)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(hào)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(shè)計(jì)裕量測(cè)試中可以更大。表1列出了可用于傳感器設(shè)計(jì)的極小尺寸元件。

耦合電感器額定電流需要滿足或超過遠(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，大大超過了對(duì) 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。

如何檢查我的 PoDL 電路是否正常工作？

針對(duì) 10BASE-T1L 的 IEEE 802.3cg-2019 標(biāo)準(zhǔn)概述了 PHY 要滿足的電氣規(guī)格，包括電壓電平、定時(shí)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)影響通信通道，回波損耗和信號(hào)衰減（或下降）是兩個(gè)重要因素。

回波損耗是網(wǎng)絡(luò)上可能發(fā)生的信號(hào)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(duì)于10BASE-T1L中使用的高數(shù)據(jù)速率或長(zhǎng)電纜距離（1700 m）通信，回波損耗尤其值得關(guān)注。圖3（基于Graber的工作1） 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。仿真電路包括ADI公司的ADIN1110或ADIN1100 10BASE-T1L以太網(wǎng)PHY/MAC-PHY的100 Ω ±10%端接電阻。對(duì)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)元件進(jìn)行了建模。功率耦合電感標(biāo)稱值為1000 μH，占兩個(gè)220 μH電感，每個(gè)電感有兩個(gè)繞組（880 μH加裕量）。對(duì)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(yǔ)法添加的。圖4顯示了使用LTspice添加的相應(yīng)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(guī)格。?

圖3.使用LTspice蒙特卡羅函數(shù)進(jìn)行MDI回波損耗仿真。

圖4.蒙特卡羅模擬波形。

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)格的抗噪性要求。對(duì)于鐵路、自動(dòng)化和重工業(yè)（例如紙漿和造紙加工）的CbM，振動(dòng)傳感器解決方案需要輸出小于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)需要向測(cè)量電路（MEMS信號(hào)鏈）輸出非常小的噪聲（低輸出紋波）。MEMS傳感器的電源設(shè)計(jì)還必須不受耦合到共享電源和數(shù)據(jù)電纜的噪聲的影響（高PSRR）。

確保MEMS傳感器能夠檢測(cè)到非常小的振動(dòng)需要非常低的噪聲電源。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此規(guī)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(zhuǎn)換器，以最大限度地降低功耗并提高傳感器的長(zhǎng)期可靠性。由于非理想容性負(fù)載，降壓轉(zhuǎn)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(wěn)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(shù)字有線MEMS傳感器的電源設(shè)計(jì)。LT8618 專為具有以下特點(diǎn)的工業(yè)傳感器而設(shè)計(jì)：

高達(dá) 60 V 的寬輸入范圍

低輸出電流 100 mA

效率高達(dá) 90%

微型 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

圖5顯示了24 V電壓的LT8618直流輸入，調(diào)節(jié)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(shù)字有線MEMS傳感器的電源設(shè)計(jì)。

LT?3042 是一款高性能超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器，具有：

0.8 μV rms（10 Hz至100 kHz）時(shí)的超低均方根噪聲

超高公共磁比（1 MHz 時(shí)為 79 dB）

微型 3 mm × 3 mm DFN 封裝

文章“如何使用LTspice進(jìn)行EMC仿真獲得最佳結(jié)果—第1部分”2詳細(xì)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(shí)的仿真結(jié)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(shù)字硬件設(shè)計(jì)和機(jī)械外殼

鋼或鋁外殼用于容納MEMS振動(dòng)傳感器，并為受監(jiān)控資產(chǎn)提供牢固的附件，并提供防水和防塵（IP67）。對(duì)于振動(dòng)傳感器，外殼的固有頻率必須大于MEMS傳感器測(cè)量的施加振動(dòng)載荷的頻率。

ADXL1002 MEMS的頻率響應(yīng)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(hù)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(shè)計(jì)三軸傳感器時(shí)，需要在垂直和徑向方向上分析機(jī)械外殼的固有頻率。

圖6.MEMS和機(jī)械外殼頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

傳感器原型在模態(tài)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，模態(tài)振動(dòng)臺(tái)提供了一個(gè)受控的環(huán)境來設(shè)置振動(dòng)測(cè)試水平并掃描頻率。傳感器頻率響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果應(yīng)與圖6所示的MEMS傳感器信息緊密一致。

模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種常用的技術(shù)，用于深入了解外殼的振動(dòng)特性。模態(tài)分析提供設(shè)計(jì)的固有頻率和法線模態(tài)（相對(duì)變形）。使用ANSYS或類似程序的有限元方法（FEM）可用于仿真結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)，從而有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)并減少傳感器原型迭代次數(shù)。

公式1是單自由度系統(tǒng)的模態(tài)分析控制方程的簡(jiǎn)化。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)。公式1提供了一種簡(jiǎn)單直觀的設(shè)計(jì)評(píng)估方法。隨著傳感器外殼高度的減小，剛度增加，質(zhì)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(huì)降低，質(zhì)量會(huì)增加，從而導(dǎo)致固有頻率降低。

大多數(shù)設(shè)計(jì)具有多個(gè)自由度。有些設(shè)計(jì)有數(shù)百個(gè)。使用有限元方法可以快速計(jì)算公式1，手動(dòng)計(jì)算非常耗時(shí)。

使用ANSYS模態(tài)進(jìn)行仿真時(shí)，求解器會(huì)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(duì)您的設(shè)計(jì)最重要。相對(duì)較高的MPF意味著特定頻率可能是設(shè)計(jì)中的問題。表3所示的示例表明，雖然在x軸仿真中預(yù)測(cè)了500 Hz的固有頻率，但該模式是弱激勵(lì)的，不太可能成為問題。800 Hz強(qiáng)模式在外殼x軸上被激勵(lì)，如果MEMS敏感軸在外殼x軸上定向，則會(huì)出現(xiàn)問題。但是，如果設(shè)計(jì)人員具有面向外殼z軸測(cè)量的MEMS傳感器PCB，則對(duì)800 Hz的這種x軸強(qiáng)模式不感興趣。

10BASE-T1L傳感器原型的模態(tài)分析

文章“如何使用模態(tài)分析設(shè)計(jì)一個(gè)好的振動(dòng)傳感器外殼”3提供了模態(tài)分析的詳細(xì)概述。雖然ANSYS是分析結(jié)構(gòu)模態(tài)響應(yīng)的高效而復(fù)雜的工具，但了解基礎(chǔ)方程將有助于設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)得更好，可在所有軸上實(shí)現(xiàn)更高的剛度和固有頻率。與圓柱形相比，矩形在傳感器方向和設(shè)備連接方面提供了更多選擇。有關(guān)示例和模擬結(jié)果，請(qǐng)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(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)是創(chuàng)建支持大于1 kHz的外殼。如圖7所示，創(chuàng)建了一個(gè)矩形外殼設(shè)計(jì)，并使用ANSYS進(jìn)行仿真。表4顯示了仿真結(jié)果，固有頻率和模式參與因子表明，所有三個(gè)軸的帶寬至少為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)備連接和最佳的模態(tài)性能。

圖7.用于ADXL357三軸MEMS傳感器和ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY電路的外殼。

選擇合適的MEMS振動(dòng)傳感器

選擇加速度計(jì)時(shí)需要注意哪些規(guī)格？

雖然沒有對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行分類的官方標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)覆蓋的面積很小。MEMS加速度計(jì)專為許多特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如安全氣囊碰撞檢測(cè)、車輛側(cè)翻檢測(cè)、機(jī)械臂定位、平臺(tái)穩(wěn)定、精密傾斜檢測(cè)等等。MEMS制造商僅在幾年前開發(fā)出足以與IEPE振動(dòng)傳感器競(jìng)爭(zhēng)的傳感器，因此，該技術(shù)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(cè)所示。然而，隨著越來越多的MEMS供應(yīng)商投資于狀態(tài)監(jiān)測(cè)振動(dòng)傳感器解決方案，預(yù)計(jì)未來幾年這一數(shù)字將增長(zhǎng)。

圖8.用于有線應(yīng)用的MEMS和壓電傳感器系列。

MEMS傳感器具有一些優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)在振動(dòng)傳感器領(lǐng)域被證明是顛覆性的。例如，市場(chǎng)上絕大多數(shù)MEMS傳感器具有三軸、集成ADC、數(shù)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(xù)用于最關(guān)鍵的資產(chǎn)，但維護(hù)和設(shè)施經(jīng)理正在尋求從不太重要的資產(chǎn)中提取更深入的見解，以轉(zhuǎn)向提高生產(chǎn)力，效率和可持續(xù)性 - 即最大限度地減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間并延長(zhǎng)資產(chǎn)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(gè)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？

3軸MEMS傳感器與IEPE振動(dòng)傳感器相比如何？

如表6所示，已經(jīng)對(duì)三軸MEMS加速度計(jì)的有效性進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，以絕對(duì)的置信度識(shí)別高性能單軸甚至雙軸IEPE振動(dòng)傳感器無法檢測(cè)到的特定故障。1單軸振動(dòng)傳感器無法絕對(duì)確定地檢測(cè)到彎曲軸、偏心轉(zhuǎn)子、軸承問題和翹起轉(zhuǎn)子等故障，除非在安裝前努力了解特定的異常情況。當(dāng)只有一個(gè)單軸振動(dòng)傳感器可用時(shí)，將需要其他CbM傳感器，如電機(jī)電流或磁場(chǎng)，以更可靠地識(shí)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(quán)衡，這些額外的軸可以緩解安裝位置挑戰(zhàn)，因?yàn)閷z測(cè)到所有垂直、水平和軸向振動(dòng)，并提供對(duì)資產(chǎn)操作的更深入見解。根據(jù)表6中的結(jié)果，如果不重新定向和重新測(cè)試，單軸傳感器就無法可靠地識(shí)別大多數(shù)故障，即使它比三軸MEMS傳感器具有更好的噪聲和帶寬。

還有哪些其他振動(dòng)傳感器可用，它們?nèi)绾伪容^？

那么，3軸MEMS傳感器如何適應(yīng)振動(dòng)傳感器頻譜呢？圖9顯示了目前可用的MEMS振動(dòng)傳感器的概述，基于其噪聲與帶寬的關(guān)系。IEPE傳感器僅供參考，并幫助突出顯示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(guān)鍵性資產(chǎn)，而最高成本的傳感器（IEPE）將用于最高關(guān)鍵性的資產(chǎn)。單軸IEPE傳感器已經(jīng)使用了幾十年，涵蓋了從低關(guān)鍵性到高關(guān)鍵性應(yīng)用的所有領(lǐng)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(duì)于低關(guān)鍵性資產(chǎn)集群，由于成本高，使用三軸IEPE傳感器是不可行的，但這進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)的觀點(diǎn)。

圖9.三軸MEMS和IEPE以及單軸MEMS和IEPE的振動(dòng)傳感器的比較。

哪種傳感器最適合可部署的單對(duì)以太網(wǎng)調(diào)節(jié)監(jiān)控傳感器，為什么？

可部署的單對(duì)以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)用于容納振動(dòng)傳感器，但系統(tǒng)架構(gòu)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(shù)字輸出，只需對(duì)微控制器固件進(jìn)行最小的更改。振動(dòng)傳感器必須很小，數(shù)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(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3軸數(shù)字輸出MEMS加速度計(jì)。

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(guān)的安裝挑戰(zhàn)。下一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是功耗，與其他傳感器相比，ADXL357在IP6x模塊內(nèi)產(chǎn)生的自發(fā)熱效應(yīng)較小，因?yàn)锳DXL357不需要ADC或運(yùn)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(jī)械外殼和良好的模態(tài)頻率性能，如模態(tài)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(dá)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?yàn)榇蠖鄶?shù)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(jì)可以毫不費(fèi)力地集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。請(qǐng)注意，如果您需要優(yōu)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。

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 顯示了與 PC 或 Raspberry Pi 接口的可部署單對(duì)以太網(wǎng)調(diào)理監(jiān)控傳感器的高級(jí)框圖。消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 （MQTT） 是物聯(lián)網(wǎng)的輕量級(jí)消息傳遞協(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)。MQTT 被認(rèn)為是輕量級(jí)的，因?yàn)樗南⒕哂休^小的代碼占用空間。發(fā)布和訂閱消息傳輸非常適合以最小的代碼占用量和網(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)。發(fā)布者發(fā)送消息，訂閱者接收他們感興趣的消息。代理將消息從發(fā)布者傳遞到訂閱者。一些 MQTT 代理處理數(shù)百萬個(gè)并發(fā)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(gè) SPE 設(shè)備，從而創(chuàng)建傳感器數(shù)據(jù)管道，如圖 10 所示。發(fā)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(shè)備，如 Arduino、Raspberry Pi、ESP32，也可以是 Node-RED 或 MQTTfx 等應(yīng)用程序。

圖 10.MQTT 簡(jiǎn)單的發(fā)布/訂閱架構(gòu)。

圖 11.可部署的單對(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。該傳感器是數(shù)字輸出三軸MEMS傳感器，可以檢測(cè)振動(dòng)。任何帶有SPI接口的標(biāo)準(zhǔn)低功耗微控制器，如MAX78000或MAX32670，都可用于從ADXL357讀取數(shù)據(jù)。MAX78000具有額外的優(yōu)勢(shì)，具有內(nèi)置卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）硬件加速器，可提供超低功耗邊緣AI處理能力。

測(cè)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)被放入 MQTT 主題中，以便再次通過 SPI 傳輸?shù)?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(shí)現(xiàn)不同的模式和配置，例如PoDL ON或OFF、T1L專用節(jié)點(diǎn)、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，并傳輸超過300 m的IP67防護(hù)等級(jí)電纜，具有先進(jìn)的屏蔽功能，可達(dá)到1700 m以上的魯棒性。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 Raspberry Pi 可以解釋數(shù)據(jù)，然后處理和顯示數(shù)據(jù)。?

ADIN1110 10堿基-T1L 物理

ADIN1110是一款面向工業(yè)應(yīng)用的可靠、單端口、低功耗10BASE-T1L以太網(wǎng)MAC-PHY收發(fā)器。ADIN1110集成MAC接口，可通過SPI與各種主機(jī)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(tǒng)級(jí)功耗。ADIN1110專為樓宇、工廠和過程自動(dòng)化中部署的邊緣節(jié)點(diǎn)傳感器和現(xiàn)場(chǎng)儀表而設(shè)計(jì)。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(zhì)安全環(huán)境中使用。可編程發(fā)射電平、外部端接電阻以及獨(dú)立的接收和發(fā)送引腳使ADIN1110適合本質(zhì)安全應(yīng)用。

以太網(wǎng)到現(xiàn)場(chǎng)或邊緣的愿景是將所有傳感器和執(zhí)行器連接到融合的IT/OT網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)這一愿景，存在系統(tǒng)工程挑戰(zhàn)，因?yàn)槠渲幸恍﹤鞲衅鞯墓β屎涂臻g有限。低功耗和超低功耗微控制器市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，這些微控制器具有重要的內(nèi)部存儲(chǔ)器功能，適用于傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用。但這些處理器中的大多數(shù)都有一個(gè)共同點(diǎn) - 沒有集成的以太網(wǎng)MAC，它們不支持MII，RMII或RGMII媒體獨(dú)立（以太網(wǎng)）接口。傳統(tǒng)的PHY無法連接到這些處理器/微控制器。

可部署的單對(duì)以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器的固件實(shí)現(xiàn)如表 8 所示。

大多數(shù)具有足夠存儲(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)，以及輕量級(jí) IP 堆棧或 lwIP，這是 TCP/IP 協(xié)議套件的小型獨(dú)立開源實(shí)現(xiàn)，旨在減少 RAM 使用量，同時(shí)仍具有全尺寸 TCP。FreeRTOS 提供了一個(gè)開源的、文檔非常完善且受支持的操作系統(tǒng)，可以輕松添加新的功能代碼塊。lwIP TCP/IP 實(shí)現(xiàn)的目的是提供全面的傳輸控制協(xié)議 （TCP），同時(shí)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(tǒng)。還有一些附加應(yīng)用程序，例如用于提供 MQTT 功能的 MQTT 客戶端。MQTT 塊配置為發(fā)布/訂閱模式，提供簡(jiǎn)化、高效的解決方案。ADIN1110驅(qū)動(dòng)器在與lwIP堆棧通信之前需要與地址解析協(xié)議（ARP）模塊通信，以確保微控制器與ADIN1110之間的無縫網(wǎng)絡(luò)通信。

圖 12.軟件架構(gòu)。

圖 13.傳感器框圖和每個(gè)模塊的代碼開發(fā)要求。

PyMQTT是一個(gè)基于Python的庫(kù)擴(kuò)展，用于將MQTT客戶端集成到Web應(yīng)用程序中。它用于訂閱SPE傳感器，提取數(shù)據(jù)并將其顯示在GUI中，因此，它有效地充當(dāng)paho-mqtt包的包裝器，以簡(jiǎn)化MQTT與Python應(yīng)用程序的集成。

ADIN2111： 集成10BASE-T1L PHY的低復(fù)雜度、2端口以太網(wǎng)交換機(jī)

ADIN2111采用長(zhǎng)距離10BASE-T1L技術(shù)為工廠/建筑物中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)添加以太網(wǎng)連接，從而簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理。ADIN2111支持低功耗邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，并通過SPI與各種主機(jī)控制器接口。ADIN2111等雙端換機(jī)可用于在線路或環(huán)形拓?fù)渲械氖芟捱吘壒?jié)點(diǎn)之間以菊花鏈方式連接數(shù)據(jù)。線形和環(huán)形拓?fù)涫枪I(yè)部署中的主要架構(gòu)。每個(gè)器件都需要兩個(gè)輸入和輸出端口，因此每個(gè)器件都需要一個(gè)開關(guān)和兩個(gè)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(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。它可以在 1 km 的電纜上以 2% 的精度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)故障檢測(cè)和故障定位檢測(cè)，有助于減少停機(jī)時(shí)間和調(diào)試時(shí)間。ADIN2111支持將傳感器、執(zhí)行器和控制器網(wǎng)絡(luò)連接成一條線或環(huán)形網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)洌瑫r(shí)利用現(xiàn)有部署的單雙絞線布線基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)據(jù)采集和圖形用戶界面

振動(dòng)數(shù)據(jù)可以使用基于 Python 的 GUI 在時(shí)域和頻域中可視化，如圖 15 所示。Python GUI 是一個(gè)可執(zhí)行文件，因此除非您要修改它，否則不需要進(jìn)行代碼開發(fā)。

圖 15.SPE 傳感器測(cè)量難以察覺的 20 Hz 振動(dòng)。

為了驗(yàn)證SPE傳感器系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了一系列測(cè)試。不平衡負(fù)載測(cè)試是測(cè)試振動(dòng)傳感器性能的可靠方法，因?yàn)闀r(shí)域和頻域特征很容易識(shí)別。圖16顯示了左側(cè)的時(shí)域數(shù)據(jù)和右側(cè)的頻域數(shù)據(jù)。在 y 軸和 z 軸上，有一個(gè)清晰的正弦信號(hào)，與電機(jī)轉(zhuǎn)速或基本轉(zhuǎn)速下的不平衡負(fù)載測(cè)量的振動(dòng)相關(guān)。這是因?yàn)?y 軸和 z 軸的位置是為了測(cè)量不平衡電機(jī)的最大振動(dòng)響應(yīng)。x 軸確實(shí)測(cè)量一些重復(fù)的數(shù)據(jù)，但它不是正弦的，并且振幅比 y 軸和 z 軸低一個(gè)數(shù)量級(jí)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(cè)來自 9 VDC 電機(jī)的不平衡負(fù)載，轉(zhuǎn)子上有偏心重物。

為了研究系統(tǒng)的噪聲性能，使用了另一項(xiàng)測(cè)試，將音調(diào)發(fā)生器放置在與SPE傳感器相同的底板上。人手無法察覺振動(dòng)，但ADXL357與10BASE-T1L通信流水線相結(jié)合，可以可靠地檢測(cè)所有三個(gè)軸上的異常。

圖 17.750 Hz 振動(dòng)音調(diào)測(cè)量。

結(jié)論

ADI公司在狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域擁有深厚的專業(yè)知識(shí)，加上強(qiáng)大的傳感器、功率器件和以太網(wǎng)連接產(chǎn)品組合，使設(shè)計(jì)人員能夠在第一時(shí)間以正確的設(shè)計(jì)進(jìn)入市場(chǎng)。ADIN1110單對(duì)以太網(wǎng)MAC-PHY是設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建振動(dòng)傳感器的最佳選擇，振動(dòng)傳感器可用于通過以太網(wǎng)IP尋址功能隨時(shí)隨地訪問資產(chǎn)運(yùn)行狀況信息。

審核編輯：郭婷