【導讀】由IEEE制定的新型單對以太網(wǎng)(SPE)或10BASE-T1L物理層標準，為傳輸設備運行狀況信息實(shí)施狀態(tài)監測(CbM)應用提供了新的連接解決方案。SPE提供共享電源和高帶寬數據架構，可通過(guò)低成本雙線(xiàn)電纜在超過(guò)1000米的距離實(shí)現10Mbps數據和電源的共享。
由IEEE制定的新型單對以太網(wǎng)(SPE)或10BASE-T1L物理層標準，為傳輸設備運行狀況信息實(shí)施狀態(tài)監測(CbM)應用提供了新的連接解決方案。SPE提供共享電源和高帶寬數據架構，可通過(guò)低成本雙線(xiàn)電纜在超過(guò)1000米的距離實(shí)現10Mbps數據和電源的共享。
ADI公司設計了業(yè)界首款10BASE-T1L MAC-PHY(ADIN1110)，一款集成MAC的單對以太網(wǎng)收發(fā)器，它使用簡(jiǎn)單的SPI總線(xiàn)與嵌入式微控制器通信，可降低傳感器的功耗并減少固件開(kāi)發(fā)時(shí)間。
圖1.10BASE-T1L單對以太網(wǎng)狀態(tài)監測（振動(dòng)）傳感器原型
在本文中，將了解如何設計一款體型小巧但功能強大的傳感器，如圖1所示。本文將介紹：
如何設計小型共享數據和電源通信接口
如何為傳感器設計超低噪聲電源
微控制器和軟件架構選擇
選擇合適的MEMS振動(dòng)傳感器
集成數字硬件設計和機械外殼
電腦上的數據采集UI示例
如何設計小型共享數據和電源通信接口
什么是PoDL？
電源和數據通過(guò)電感電容網(wǎng)絡(luò )分布在單對雙絞線(xiàn)上，具體如圖2所示。高頻數據通過(guò)串聯(lián)電容與數據線(xiàn)路耦合，同時(shí)保護ADIN1100 10BASE-T1L PHY免受直流母線(xiàn)電壓影響，如圖2(a)所示。圖2所示為通過(guò)連接至數據線(xiàn)路的耦合電感連接到PSE（供電設備）控制器的電源。如圖2(b)所示，24VDC電源對交流數據總線(xiàn)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傳感器節點(diǎn)上的耦合電感從線(xiàn)路中提取電源。
圖2.共享電源和數據線(xiàn)(PoDL)的基本原理
為防止極性電纜安裝錯誤（例如，將PSE PHY的24VDC錯接到PD PHY的0VDC），建議使用橋式整流二極管。為了確保EMC穩定性，需使用工作電壓大于24VDC的TVS二極管。如果傳感器硬件設計體積較大，還可以使用其他EMC元件（例如在信號線(xiàn)上配置高壓電容）。
使用所有這些元件設計小型PoDL電路可能并不那么簡(jiǎn)單，但幸運的是，大多數供應商都針對整流二極管、TVS二極管和無(wú)源元件提供具有尺寸優(yōu)勢的解決方案。通常，必須選擇具有超低電容的元件，盡可能地減少信號失真。建議耦合電感和電容分別為220μH和220nF，但在仿真或測試中可以采用更大的值以留出設計裕量。表1列出了可用于傳感器設計的一系列小尺寸元件。
表1.適用于小型傳感器設計PoDL接口的元件
如何設計小型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穩定性和容錯性。
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換。這種共模噪聲會(huì )降低信號質(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，并保護設計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，確保其能夠為傳感器提供足夠的功率。
耦合電感的額定電流需要滿(mǎn)足或超過(guò)遠程供電MEMS傳感器節點(diǎn)的總電流要求。LPD5030-224MRB的額定電流至少為240mA，大大超過(guò)了10BASE-T1L傳感器節點(diǎn)的要求。由于額定電流要求相對較低，因此可以減小電感尺寸。表2顯示，4.8mm × 4.8mm LPD5030-224MRB是滿(mǎn)足10BASE-T1L鏈路要求的最小元件。
表2.功率電感——對封裝尺寸的限制
如何檢查PoDL電路是否能夠正常工作？
用于10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019標準中概述了PHY要滿(mǎn)足的電氣規格，包括電壓電平、時(shí)序抖動(dòng)、功率譜密度、回波損耗和信號下降（衰減）。PoDL電路會(huì )對通信通道產(chǎn)生影響，其中回波損耗和信號衰減（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)生的信號反射?；夭〒p耗以分貝為單位，對于10BASE-T1L中采用的高數據速率或長(cháng)電纜距離(1700m)通信尤為重要。圖3（基于Graber1的工作）顯示了單對以太網(wǎng)(SPE) 10BASE-T1L標準(10SPE)物理層或MDI的LTspice?仿真電路。該仿真電路針對ADI公司的ADIN1110或ADIN1100 10BASE-T1L以太網(wǎng)PHY/MAC-PHY采用100Ω±10%端接電阻。信號耦合電容、功率耦合電感、共模扼流圈和其他EMC保護元件均進(jìn)行建模仿真。功率耦合電感標稱(chēng)值為1000μH，相當于兩個(gè)220μH的雙繞組電感（880μH加上裕量）。對于某些元件，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顯示了相應的蒙特卡羅仿真波形和使用LTspice添加的限值線(xiàn)。所選元件和容差將滿(mǎn)足回波損耗掩模規格。
圖3.使用LTspice蒙特卡羅函數進(jìn)行的MDI回波損耗仿真
圖4.蒙特卡羅仿真波形
如何設計超低噪聲電源
有線(xiàn)狀態(tài)監測傳感器具有嚴格的抗擾度要求。對于鐵路、自動(dòng)化和重工業(yè)（例如紙漿和紙張加工）的狀態(tài)監測，振動(dòng)傳感器解決方案需要輸出低于1mV的噪聲，以避免在數據采集/控制器處觸發(fā)錯誤的振動(dòng)水平。這意味著(zhù)電源設計向測量電路（MEMS信號鏈）輸出的噪聲必須非常低（低輸出紋波）。MEMS傳感器的電源設計還必須具備抗干擾能力，不受共享電源和數據線(xiàn)上耦合噪聲的影響（高PSRR）。
要確保MEMS傳感器能夠檢測到極小的振動(dòng)，需要使用極低噪聲電源。ADXL1002MEMS加速度計的輸出電壓噪聲密度規格為25μg√Hz。在正常工作期間，MEMS電源需要滿(mǎn)足或超過(guò)此規格，以避免降低傳感器的性能。
有線(xiàn)CbM傳感器通常由24VDC至30VDC電源供電，需使用具有高輸入范圍和高效率的降壓轉換器，以盡可能地降低功耗并提升傳感器的長(cháng)期可靠性。由于具有非理想容性負載，降壓轉換器的電壓紋波可能有幾十毫伏，不適合為3V/5V 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穩壓器，以確保為MEMS傳感器提供只有微伏級噪聲的電源。
為10BASE-T1L傳感器原型供電
圖5顯示了數字有線(xiàn)MEMS傳感器的一種電源設計。其中的LT8618專(zhuān)為工業(yè)傳感器設計，具有以下特性：
寬輸入范圍高達60V
低輸出電流100mA
效率高達90%
微型2mm × 2mm LQFN封裝
圖5.數字有線(xiàn)MEMS傳感器的電源設計
圖5顯示LT8618具有24VDC輸入，可調節至3.7V后輸入LT3042，從而為MEMS傳感器電路提供3.3V電源。
LT3042是一款高性能、超低噪聲LDO穩壓器，具有以下特性：
0.8μV rms時(shí)提供超低有效值噪聲（10Hz至100kHz）
超高PSRR（1MHz時(shí)為79dB）
微型3mm × 3mm DFN封裝
“如何使用LTspice獲得出色的EMC仿真結果 - 第1部分”一文詳細介紹了LTspice仿真電路，并討論了LT8618和LT3042的EMC性能。此文中的圖19和圖20顯示了在LT3042輸入端施加EMC干擾時(shí)的仿真結果。結果表明，即使LT3042的輸入端存在1V p-p EMC干擾，其電壓紋波也小于200μV。
集成數字硬件設計和機械外殼
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控設備上，并提供防水和防塵性能(IP67)。對于振動(dòng)傳感器，外殼的固有頻率必須大于由MEMS傳感器測量的所施加振動(dòng)負載的固有頻率。
ADXL1002 MEMS的頻率響應曲線(xiàn)如圖6所示。ADXL1002的3dB帶寬為11kHz，諧振頻率為21kHz。用于封裝ADXL1002的保護外殼在靈敏度軸上需要具有21kHz或更高的一階固有頻率。同樣，在設計三軸傳感器時(shí)，需在垂直方向和徑向分析機械外殼的固有頻率。
圖6.MEMS和機械外殼頻率響應的設計目標
在模態(tài)激振器上對傳感器原型進(jìn)行測試，該模態(tài)激振器提供了一個(gè)受控環(huán)境，可設置振動(dòng)試驗電壓和掃描頻率。傳感器頻率響應的測試結果應與圖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)分析可以提供設計的固有頻率和正常模式（相對變形）。對結構的模態(tài)響應進(jìn)行仿真可使用基于A(yíng)NSYS或類(lèi)似程序的有限元方法(FEM)，這樣有助于優(yōu)化設計和減少傳感器原型制作的迭代次數。
方程1是單自由度系統模態(tài)分析控制方程的簡(jiǎn)化形式。固有頻率與外殼設計的質(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(guān)的設計評估方法。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。
大多數設計都具有多個(gè)自由度。有些設計具有數百自由度。利用有限元方法可以快速得出方程1的計算結果，如果采用手動(dòng)計算則非常耗費時(shí)間。
當使用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于您的設計最為重要。如果MPF相對較高，則意味著(zhù)設計中可能存在某個(gè)特定頻率的問(wèn)題。表3中的示例表明，在仿真中預測到x軸的固有頻率為500Hz時(shí)，模式為弱激勵，不太可能成為問(wèn)題。在外殼x軸激勵800Hz強模式時(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，如果設計人員將MEMS傳感器PCB的方向定位在外殼的z軸上測量，那么這個(gè)x軸的800Hz強模式可能無(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
“如何利用模態(tài)分析設計出色的振動(dòng)傳感器外殼”一文中詳細概述了模態(tài)分析。ANSYS作為一種先進(jìn)高效的工具，可用于分析結構的模態(tài)響應，此外了解基礎方程將有助于設計?；A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，其設計更有助于在所有軸上實(shí)現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備連接選項。相關(guān)示例和仿真結果請參閱此文。
10BASE-T1L傳感器原型采用帶寬為1kHz的三軸MEMS傳感器(ADXL357)，其設計目標是構建一款支持1kHz以上帶寬的外殼。首先構建了一個(gè)矩形外殼設計（如圖7所示），然后使用ANSYS進(jìn)行仿真。表4顯示了仿真結果，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6kHz。該設計在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
選擇加速度計時(shí)，需要注意哪些規格？
雖然目前沒(méi)有任何官方標準可用于振動(dòng)傳感器的分類(lèi)，但可以通過(guò)這些傳感器的有效分辨率劃分其類(lèi)別，如圖8所示。很明顯，MEMS加速度計的覆蓋區域比壓電傳感器更小。MEMS加速度計適用于許多特定應用領(lǐng)域，例如安全氣囊碰撞檢測、車(chē)輛傾翻檢測、機械臂定位、平臺穩定、精確傾斜檢測等等。MEMS制造商在幾年前才開(kāi)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(xiàn)狀態(tài)監測(CbM)裝置的覆蓋范圍較小，如圖8左側所示。然而，隨著(zhù)越來(lái)越多的MEMS供應商投資開(kāi)發(fā)狀態(tài)監測振動(dòng)傳感器解決方案，預計未來(lái)幾年覆蓋范圍會(huì )有所擴增。
圖8.適合有線(xiàn)應用的MEMS和壓電傳感器系列
MEMS傳感器的很多優(yōu)勢逐漸在振動(dòng)傳感器領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。例如，市場(chǎng)上絕大多數MEMS傳感器都具有以下特點(diǎn)：三軸、集成ADC、數字濾波、出色的線(xiàn)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。雖然對于非常關(guān)鍵的設備仍會(huì )繼續使用IEPE傳感器，但維護和設施管理人員也在尋求從非關(guān)鍵設備中獲取更深入的見(jiàn)解，以提高生產(chǎn)力、效率和可持續性，盡可能地減少計劃外停機時(shí)間并延長(cháng)設備的使用壽命。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.不同的加速度計類(lèi)型和最重要的設計規格
三軸MEMS傳感器與IEPE振動(dòng)傳感器相比如何？
測試人員對三軸MEMS加速度計以絕對可信度識別特定故障的效果進(jìn)行了大量測試，通常性能更高的單軸或雙軸IEPE振動(dòng)傳感器無(wú)法檢測到這些特定故障，測試結果如表6所示。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)法絕對肯定地檢測到軸彎曲、偏心轉子、軸承問(wèn)題和轉子翹起等故障。當只有單軸振動(dòng)傳感器可用時(shí)，可能需要使用其他CbM傳感器（例如電機電流或磁場(chǎng)傳感器）來(lái)更可靠地識別某些故障。
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衡取舍，這些額外的軸可以緩解安裝位置的難題，因為可以全面檢測到垂直、水平和軸向振動(dòng)，并提供設備運作情況的深入洞察。根據表6中所示的結果，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試，也無(wú)法可靠地識別大多數故障。
表6.三軸MEMS加速度計檢測到的常見(jiàn)機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(lèi)型的MEMS傳感器自然會(huì )形成集群，可以利用其來(lái)分配潛在的應用。例如，將成本最低的傳感器（MEMS三軸）用于關(guān)鍵度較低的設備，而將成本最高的傳感器(IEPE)用于關(guān)鍵度最高的設備。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。對于低關(guān)鍵度設備集群，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以太網(wǎng)狀態(tài)監測傳感器？為什么？
可部署的單對以太網(wǎng)狀態(tài)監測傳感器起初是為了容納振動(dòng)傳感器而設計，但系統架構允許使用多種類(lèi)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字輸出，只需對微控制器固件進(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）的小型數字輸出（SPI或I2C）傳感器，以滿(mǎn)足可部署單對以太網(wǎng)狀態(tài)監測傳感器的尺寸和性能要求。根據表5所示的規格選擇了一款三軸數字輸出MEMS加速度計。
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(jiàn)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模塊內部產(chǎn)生的自熱效應明顯小于其他傳感器，因為ADXL357不需要ADC或運算放大器，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（11kHz至23kHz）單軸MEMS傳感器（例如分辨率高達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，因為大多數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加速度計輕松集成到現有系統中。請注意，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，圖11顯示了可部署單對以太網(wǎng)狀態(tài)監測傳感器連接到個(gè)人電腦或樹(shù)莓派的簡(jiǎn)化方框圖。MQTT（消息隊列遙測傳輸）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(hù)端在低帶寬環(huán)境中分發(fā)遙測數據。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 )帶寬連接遠程設備。MQTT廣泛用于石油和天然氣、汽車(chē)、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代理能夠處理數百萬(wàn)個(gè)同時(shí)連接的MQTT客戶(hù)端，利用這一點(diǎn)，許多傳感器可以連接到一個(gè)SPE設備，從而創(chuàng )建一個(gè)傳感器數據管道，如圖10所示。發(fā)布者和訂閱者都是MQTT客戶(hù)端，只能與MQTT代理進(jìn)行通信。MQTT客戶(hù)端可以是Arduino、樹(shù)莓派、ESP32等任何設備，也可以是Node-RED或MQTTfx等應用程序。
圖10.簡(jiǎn)單的MQTT發(fā)布/訂閱架構
圖11中的前四個(gè)模塊由傳感器、微控制器、MAC-PHY和媒體轉換器組成。該傳感器是一款可以檢測振動(dòng)的數字輸出三軸MEMS傳感器。從ADXL357讀取數據可采用任何帶有SPI接口的標準低功耗微控制器，如MAX78000或MAX32670。MAX78000具有額外優(yōu)勢，可通過(guò)內置卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(CNN)硬件加速器提供超低功耗邊緣AI處理功能。
圖11.可部署單對以太網(wǎng)狀態(tài)監測傳感器框圖
將測量的振動(dòng)數據放入MQTT主題中，以便再次通過(guò)SPI傳輸到MAC-PHY?？墒褂玫统杀镜腃ortex?-M4微控制器通過(guò)SPI讀/寫(xiě)ADIN1110 MAC-PHY，以啟用各種模式和配置，如“打開(kāi)”或“關(guān)閉”P(pán)oDL、T1L專(zhuān)用、主節點(diǎn)或子節點(diǎn)、1V或2.4V。ADIN1110將MQTT數據主題轉換為10BASE-T1L格式，并通過(guò)300m長(cháng)的IP67級電纜傳送，具有先進(jìn)的屏蔽特性，可在1700m內保持穩健的性能。然后，媒體轉換器將數據從10BASE-T1L轉換為10BASE-T格式，以便PC或樹(shù)莓派解譯數據，然后進(jìn)行處理和顯示。
ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY
ADIN1110是一款面向工業(yè)應用的穩健型單端口低功耗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，整體系統級功耗非常低。ADIN1110設計用于樓宇、工廠(chǎng)和過(guò)程自動(dòng)化中部署的邊緣節點(diǎn)傳感器和現場(chǎng)儀表。該器件采用1.8V或3.3V單電源軌供電，支持1.0V和2.4V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、外部端接電阻和獨立的接收和發(fā)送引腳，適合各種本質(zhì)安全應用。
以太網(wǎng)至現場(chǎng)或邊緣的愿景是將所有傳感器和執行器連接到一個(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)現這一愿景面臨系統工程方面的挑戰。適用于傳感器和執行器應用、具備強大內部存儲功能的低功耗、超低功耗微控制器市場(chǎng)需求日益增長(cháng)。但大多數這樣的處理器都有同樣的問(wèn)題，那就是沒(méi)有集成的以太網(wǎng)MAC，不支持MII、RMII或RGMII媒體獨立（以太網(wǎng)）接口。傳統的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以太網(wǎng)狀態(tài)監測傳感器的固件實(shí)現。
表8.固件代碼容量
大多數帶有足量存儲器的低成本Cortex-M4微控制器都適合此應用。SPE狀態(tài)監測傳感器的軟件架構如圖13所示，它由多個(gè)元件組成，相應的框圖如圖12所示。微控制器可以輕松處理操作系統(FreeRTOS)和MQTT庫，以及輕型IP協(xié)議?；騦wIP。lwIP是TCP/IP協(xié)議套件的小型獨立開(kāi)源實(shí)現，旨在減少RAM占用，同時(shí)仍提供全面的TCP。FreeRTOS提供的開(kāi)源操作系統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)現的目標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40kB代碼ROM的嵌入式系統。還有一些附加應用程序，例如用來(lái)提供MQTT功能的MQTT客戶(hù)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之間能夠實(shí)現無(wú)縫網(wǎng)絡(luò )通信。
圖12.軟件架構
圖13.傳感器框圖和每個(gè)塊的代碼開(kāi)發(fā)要求
PyMQTT是一個(gè)基于Python的庫擴展，支持將MQTT客戶(hù)端集成到Web應用程序中。它可用于訂閱SPE傳感器、提取數據并將其顯示在GUI中，因此能夠有效地充當paho-mqtt包的包裝器，以簡(jiǎn)化Python應用程序中的MQTT集成。
ADIN2111：集成10BASE-T1L PHY的低復雜度、2端口以太網(wǎng)交換機
ADIN2111使用長(cháng)距離10BASE-T1L技術(shù)為工廠(chǎng)/樓宇中的每個(gè)節點(diǎn)添加以太網(wǎng)連接，從而簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )管理。ADIN2111支持低功耗邊緣節點(diǎn)設計，并通過(guò)SPI與多種主機控制器連接。ADIN2111等雙端口交換機可用于在線(xiàn)形或環(huán)形拓撲中受約束的邊緣節點(diǎn)之間以菊花鏈方式傳輸數據。線(xiàn)形或環(huán)形拓撲是工業(yè)部署中的主要架構。每個(gè)設備需要兩個(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)一系列診斷特性監控鏈路質(zhì)量并檢測故障，從而縮短調試時(shí)間和系統停機時(shí)間。它支持通過(guò)1千米電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)故障檢測和故障位置識別，精度達到2%，有助于縮短系統停機和調試時(shí)間。ADIN2111可利用部署的現有單根雙絞線(xiàn)基礎設施，使傳感器、執行器和控制器網(wǎng)絡(luò )以線(xiàn)形或環(huán)形拓撲進(jìn)行連接。
數據采集與GUI
使用基于Python的GUI可以在時(shí)域和頻域中實(shí)現振動(dòng)數據的可視化，如圖15所示。Python GUI是可執行文件，因此無(wú)需進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)（除非您想要對其進(jìn)行修改）。
圖15.SPE傳感器測量細微的20Hz振動(dòng)
為了驗證SPE傳感器系統的性能，測試人員進(jìn)行了一系列測試。失衡負載測試可作為一種可靠的方法來(lái)測試振動(dòng)傳感器的性能，因為很容易識別出時(shí)域和頻域特征。圖16左側為時(shí)域數據，右側為頻域數據。關(guān)于在電機轉速或基本速度下對失衡負載測量的振動(dòng)，y軸和z軸上可顯示出與其相關(guān)的清晰正弦信號。這是因為y軸和z軸的定位便于測量失衡電機的最大振動(dòng)響應。x軸確實(shí)也測量到一些重復數據，但并非正弦，而且振幅比y軸和z軸至少低一個(gè)數量級。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。
為了研究系統的噪聲性能，測試人員進(jìn)行了另一項測試：將信號音發(fā)生器與SPE傳感器放在的同一底板上。人手無(wú)法察覺(jué)到振動(dòng)，但ADXL357與10BASE-T1L通信管道相結合能夠可靠地檢測到所有三個(gè)軸上的異常。
圖16.SPE傳感器檢測9VDC電機（轉子上有偏心重量）的失衡負載
圖17.750Hz振動(dòng)信號音測量
結論
ADI公司在狀態(tài)監測領(lǐng)域具有深厚的專(zhuān)業(yè)知識，憑借強大的傳感器、功率器件和以太網(wǎng)連接產(chǎn)品組合，能夠幫助設計人員打造較理想的設計，并贏(yíng)得市場(chǎng)競爭。ADIN1110單對以太網(wǎng)MAC-PHY是設計人員進(jìn)行振動(dòng)傳感器設計的明智選擇，可利用以太網(wǎng)IP尋址能力隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)設備的狀態(tài)信息。
（來(lái)源：ADI，作者：ADI系統應用工程事業(yè)部工程師Richard Anslow和ADI現場(chǎng)技術(shù)主管Chris Murphy）
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