为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第2部分

为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第2部分

简介

时间同步和电缆长度

图1展示系统传播延迟如何导致SPI主机上出现不准确的SPI MISO采样。对于没有采用RS-485/RS-422电缆的系统，MISO数据和SPI SCLK会以低延迟或无延迟同步。对于采用了电缆的系统，SPI从机上的MISO数据与SPI SCLK之间存在一个系统传播延迟，如图1中的tpd1所示。回到主机的MISO数据存在两个系统传播延迟，如tpd2所示。当数据由于电缆和元件传播延迟而右移时，会发生不准确的数据采样。

图1.采用与不采用RS-485/RS-422长电缆的系统的MISO数据和SPI SCLK同步。

为了防止出现不准确的MISO采样，可以缩短电缆长度、降低SPI SCLK，或者在主控制器中实施SPI SCLK补偿方案（时钟相位偏移）。理论上，系统传播延迟应该小于SCLK时钟周期的50%，以实现无错通信；在实践中，可以将系统延迟限值确定为SCLK的40%，这可以作为一般规则。

图2.针对隔离和非隔离设计的SPI SCLK和电缆长度指南。

虚假电源

背景知识

图3.虚假电源物理层的交流和直流电压电平。

图4.SPI至RS-485/RS-422设计和虚假电源滤波器电路。

压降和压降时间可与图5中的仿真配对，以确定系统的高通频率。

对于衰减出色的系统，高通滤波器截止频率和压降要求之间的关系如公式1.3所示

在SPI至RS-485/RS-422通信系统中增加虚假电源时，很显然可允许的最低SPI SCLK速率会受虚假电源滤波器元件限制。

为了实现不含位错误的可靠通信，需要考虑最糟糕场景下的最低SPI SCLK，例如，当所有的SPI MISO采样位处于逻辑高电平时，如图7所示。如果所有的MISO采样位都处于逻辑高电平，会导致位数据数率低于系统SPI SCLK。例如，如果SPI SCLK为2 MHz，且所有16个位都处于逻辑高电平，那么虚假电源LC滤波器网络的速率相当于125 kHz的SPI MISO位数率。

如“时间同步和电缆长度”部分所示，电缆长度越长，需要的SPI SCLK速率越低。但是，虚假电源会限制最低的SPI SCLK速率。要平衡这些对立的要求，就需要小心选择和确定无源滤波器元件的特性，尤其是电感。

图5.RS-422发射数据路径和RS-485/RS-422接收数据路径的二阶高通滤波器。

图6.RS-422接收器的压降和压降时间。

图7.具有MISO 16位突波（所有都处于逻辑高电平）的SPI协议。

无源元件选择

额定电流需要满足或超过远程供电的MEMS传感器节点的总电流要求，额定饱和电流需要更大。

值更大的电感可以采用12.7 mm × 12.7 mm封装，值更小的电感可以采用4.8 mm × 4.8 mm封装。

表2显示在通过权衡这些对立要求，以最小化电感尺寸时，会因为物理限制（内部绕组）等受到限制。

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。

图8.设计窗口限制。

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：

表3.各种虚假电源滤波器元件

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）。

实验设置

图10.Pioneer 1基于状态监控的有线评估系统。

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。

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：

uADcmXL3021 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12.虚假电源线上的直流正确性。

有线评估解决方案

表5.适用于MEMS传感器的有线评估解决方案

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。

4 Andy Gardner。“PoDL瞬时连接器和电缆短路。”凌力尔特，2014年9月。

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。联系方式：richard.anslow@analog.com。

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。

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