_如何设计易于部署的10BASE-T1L单向以太网状态监测振动传感器

IEEE开发的新的单对以太网(SPE)或10BASE-T1L物理层标准为传输设备状态信息实施状态监控(CbM)应用提供了新的连接解决方案。SPE提供共享电源和高带宽数据体系结构,允许通过低成本的双线电缆在1000米以上的距离共享10Mbps数据和电源。

ADI设计了业界首款10BASE-T1L MAC-PHY(ADIN1110)。集成MAC的单对以太网收发器,使用简单的SPI总线与嵌入式微控制器通信,从而降低传感器功耗,缩短固件开发时间。

1664368324754164.png

图110BASE-T1L单对以太网状态监控(振动)传感器原型

在本文中,我们将学习如何设计如图1所示的小但强大的传感器。本文介绍了以下内容:

小型共享数据与电源通信接口设计方法

传感器的超低噪声电源设计方法

单片机与软件体系结构的选择

选择适当的MEMS振动传感器

集成数字硬件设计和机械外壳

计算机上的数据收集UI示例

小型共享数据与电源通信接口设计方法

什么是PoDL?

电源和数据通过电感容量网络分布在单线双线上,如图2所示。高频数据通过串行电容与数据线路相结合,同时保护ADIN1100 10BASE-T1L PHY不受直流总线电压的影响,如图2(a)所示。图2显示了通过连接到数据线路的耦合电感连接到电源(PSE)控制器的电源。如图2(b)所示,24伏直流电源偏移交流数据总线。在图2(c)中,PSE和馈线部件(PD)之间的电流路径以IPWR表示,并使用CbM传感器节点的耦合电感从电路中提取功率。

1664368351530385.png

图2电源和数据线(PoDL)共享的基本原则

为了避免极性电缆安装错误(例如,PSE PHY中的24VDC错误连接到PD PHY中的0VDC),建议使用桥式整流二极管。为了确保EMC的稳定性,需要工作电压大于24VDC的TVS二极管。如果传感器硬件设计体积较大,还可以使用其他EMC组件,例如在信号线上配置高压电容。

使用所有这些组件设计小型PoDL电路可能不是那么简单,但幸运的是,大多数供应商都提供了为整流二极管、TVS二极管和无源组件提供尺寸优势的解决方案。一般来说,为了最大限度地减少信号失真,应选择超低容量组件。虽然建议耦合电感和电容器分别为220 H和220nF,但在模拟或测试中可以使用较大的值来确保设计裕量。表1列出了一系列可用于传感器设计的小型元件。

表1适用于小型传感器设计PoDL接口的组件

1664368380584448.png

如何设计小型PoDL电路?

图2包括耦合电感和串行电容器,这是PoDL操作所需的基本元件。此外,还需要额外的组件来确保可靠性和容错能力。

PoDL耦合电感是不理想的元件,因此会发生一定程度的微分模式-共模转换。这种共模噪声会降低信号质量。将共模扼流圈连接到电缆连接器附近的位置,可以缓解这种不希望的特性,并保护设计不受电缆共模噪音的影响。此外,还要检查共模扼流载流量和DCR,以确保能为传感器提供足够的电力。

耦合电感的额定电流必须满足或超过远程供电MEMS传感器节点的总电流要求。LPD5030-224MRB的额定电流至少为240mA,大大超过10BASE-T1L传感器节点的要求。额定电流要求相对较低,因此可以减小电感大小。表2显示4.8毫米4.8毫米LPD5030-224MRB是满足10BASE-T1L链路要求的最低组件。

表2功率电感——封装尺寸限制

1664368403659285.png

如何确认PoDL电路是否正常工作?

用于10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019标准概述了PHY必须满足的电气规范(电压等级、定时抖动、功率谱密度、回波损耗和信号下降(衰减))。PoDL电路影响通信信道,其中回波损耗和信号衰减(或减少)是两个重要因素。

回波损耗可以测量整个电缆链路上阻抗不匹配引起的网络信号反射。回波损耗对于10BASE-T1L使用的高数据速率或长电缆距离(1700米)通信尤为重要,以分贝为单位。图3(基于Graber1的任务)显示了单对以太网SPE(SPE)10ba se-t 1 l标准(10SPE)物理层或MDI的LTspice仿真电路。此模拟电路对ADI的ADIN1110或ADIN1100 10BASE-T1L以太网PHY/MAC-PHY使用100 10%端子电阻。信号耦合器容量、功率耦合器电感、共模扼流和其他EMC保护因素都是建模和仿真的。动力耦合电感为1000 H,相当于两个220 H双绕组电感(880 H余量)。对于某些元件,使用LTspice Monte Carlo语法添加建议的元件值和公差范围。图4示出了使用相应的蒙特卡罗模拟波形和LTspice添加的限界线。选定的零部件和公差符合回波损耗掩码规范。

1664368424847624.png

图3用LTspice蒙特卡罗函数模拟MDI回波损耗

1664368522326589.jpeg

图4蒙特卡罗模拟波形

超低噪声电源设计方法

有线状态监测传感器有严格的耐受要求。对于铁路、自动化和重工业(例如纸浆和纸张加工)状态监测,振动传感器解决方案必须输出小于1mV的噪音,以避免在数据收集/控制器上触发错误的振动水平。这意味着电源设计输出到测量电路(MEMS信号链)的噪音必须非常低(低输出纹波)。MEMS传感器的电源设计还必须具备抗干扰能力,而不管共享电源和数据线的组合噪声(高PSRR)。

需要非常低噪音的电源,以便MEMS传感器能够检测到非常小的震动。ADXL1002MEMS加速度计的输出电压噪声密度规格为25gHz。在正常操作过程中,MEMS电源必须满足或超过此规格,以避免传感器性能下降。

有线CbM传感器通常由24VDC至30VDC电源供电,需要高输入范围和高效降压转换器,以最大限度地降低功耗并提高传感器的长期可靠性。由于容量负载不理想,压降转换器的电压纹波可能为几十毫伏,不适合为3V/5V MEMS传感器供电。使用共模扼流器或大容量电容器可以降低压降输出纹波电压。但是,为了确保MEMS传感器提供只有微伏噪声的电源,电压降输出部分需要超低噪声LDO调节器。

为10BASE-T1L传感器原型供电

图5显示了数字有线MEMS传感器的电源设计。其中,LT8618专为工业传感器设计,具有以下功能:

宽输入范围最大60V

低输出电流100毫安

效率高达90%

微型2毫米2毫米LQFN封装

1664368546398856.png

图5数字有线MEMS传感器的电源设计

图5显示了LT8618具有24VDC输入,调节到3.7V后输入LT3042为MEMS传感器电路提供3.3V电源。

LT3042是一款高性能超低噪音LDO电压调节器,具有以下功能:

0.8伏rms提供极低的有效值噪声(10Hz至100kHz)

超高PSRR(1MHz至79dB)

微型3毫米3毫米DFN封装

这篇文章详细介绍了如何使用LTspice获得卓越的EMC模拟结果—第1部分LTspice模拟电路,并介绍了LT8618和LT3042的EMC性能。本文中的图19和图20显示了对LT3042输入端施加EMC干扰时的模拟结果。结果表明,即使LT3042的输入端存在1V p-p EMC干扰,电压纹波也小于200 V。

集成数字硬件设计和机械外壳

MEMS振动传感器包可以牢固地连接到用钢或铝外壳监控的设备上,并提供防水和防尘性能(IP67)。对于振动传感器,外壳的固有频率必须大于MEMS传感器测量的振动载荷的固有频率。

ADXL1002 MEMS的频率响应曲线如图6所示。ADXL1002的3dB带宽为11kHz,共振频率为21kHz。用于ADXL1002封装的保护外壳需要在灵敏度轴上达到21kHz以上的一级固有频率。同样,在设计三轴传感器时,必须在垂直和径向方向分析机械外壳的固有频率。

1664368575848934.png

图6MEMS和机械外壳频率响应的设计目标

在模态刺激器中测试传感器原型,该激励器提供了设置振动实验电压和扫描频率的控制环境。传感器频率响应的测试结果必须与图6所示的MEMS传感器信息相匹配。

模态分析

模态分析是能够充分理解壳体振动特性的常用技术。模态分析提供设计的自然频率和一般模式(相对变形)。通过模拟结构的模态响应,可以使用基于ANSYS或类似程序的有限元方法(FEM),从而优化设计,减少传感器样机制作的迭代次数。

方程1是单自由度系统模态分析控制方程的简化形式。固有频率与外壳设计的质量矩阵(m)和刚度矩阵(k)相关。方程1提供了一种简单直观的设计评价方法。降低传感器外壳的高度会增加刚度,降低质量,从而提高固有频率。另外,增加外壳的高度会降低刚度,增加质量会降低固有频率。

大多数设计都有多个自由度。有些设计有数百个自由度。使用有限元法(FEA)可以快速获得方程式1的计算结果,而使用手动计算则非常耗时。

1664368598597352.png

使用ANSYS模式进行模拟时,解析器将输出自然频率和模式参与系数(MPF)。MPF用于确定对设计最重要的自然频率。如果MPF相对较高,则设计中可能存在特定频率问题。表3中的例子表明,在模拟中,当X轴的固有频率为500Hz时,模式是弱激励,不太可能成为问题。如果MEMS敏感轴的方向与外壳X轴的方向一致,则在外壳X轴上鼓励800Hz钢模式时可能会出现问题。但是,如果设计师在外壳的Z轴上测量MEMS传感器PCB的方向,X轴的800Hz强模式可能并不重要。

表3固有频率(Freq、Hz)、模式参与系数(MPF)和相关轴线

1664368616471409.png

10BASE-T1L传感器样机模态分析

如何利用模态分析设计出设计良好的振动传感器壳体,本文详细介绍了模态分析。ANSYS是高级高效工具,可用于分析结构的模态响应,了解基本方程有助于设计。基本方程式表明,外壳的自然频率受材料选择和几何形状的影响。圆柱形横截面大于矩形,旨在提高所有轴上的刚度和固有频率。矩形提供了比圆柱形更多的传感器安装方向和设备连接选项。有关示例和模拟结果,请参阅本文档。

10BASE-T1L传感器原型旨在使用带宽为1kHz的三轴MEMS传感器(ADXL357)构建支持带宽超过1kHz的盘柜。首先,创建矩形外壳设计(如图7所示),然后使用ANSYS进行仿真。表4显示了模拟结果,其中固有频率和模式参与系数表示所有三个轴的带宽至少为6kHz。该设计在x轴表面末端使用M6凸耳。这些连接点有助于确保牢固的设备连接和卓越的模态性能。

1664368643275885.png

图7ADXL357三轴MEMS传感器和ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY电路外壳

表410BASE-T1L传感器原型的固有频率(Freq、Hz)、模式参与系数(MPF)和相关轴。

1664368665302794.png

选择适当的MEMS振动传感器

选择加速时间时要注意什么规范?

目前没有可用于振动传感器分类的官方标准,但可以按照图8所示的这些传感器的有效分辨率进行分类。显然,MEMS加速度计的应用面积小于压电传感器。MEMS加速度计应用于安全气囊碰撞检测、车辆倾斜检测、机器人定位、平台稳定性、精确倾斜检测等多种特定应用领域。MEMS制造商几年前才开发出能够与IEPE振动传感器抗衡的传感器,如图8左侧所示。但是,随着越来越多MEMS供应商投资开发状态监测振动传感器解决方案,预计未来几年将扩大应用范围。

1664368693605773.png

图8适用于电缆应用的MEMS和压电传感器系列

MEMS传感器的诸多优点逐渐对振动传感器领域产生了重大影响。例如,市场上大多数MEMS传感器都具有三轴、集成ADC、数字滤波器、出色的线性度、低成本和低重量,其尺寸比压电传感器或IEPE/ICP传感器小,如表5所示。虽然IEPE传感器将继续用于非常重要的设备,但维护和设施管理人员正在从非关键设备获得更深的洞察力,以提高生产率、效率和可持续性,最大限度地减少意外停机时间,并延长设备寿命。在这种情况下,使用成本和性能较低的传感器(MEMS或IEPE),因此“噪音和带宽性能较高的单轴IEPE传感器总是比三轴MEMS传感器更好的选择吗?”的问题。

表5不同的加速度计类型和最重要的设计规范

1664368711668749.png

三轴MEMS传感器与IEPE振动传感器相比如何?

测试人员对三轴MEMS加速度计进行了大量测试,以绝对可靠性确定特定故障的效果,一般来说,性能较高的单轴或双轴IEPE振动传感器无法检测到这些特定故障。测试结果见表6。除非在安装前采取措施确定特定异常,否则单轴振动传感器绝对无法检测到轴向弯曲、偏心转子、轴承问题、转子升降等故障。如果只有单轴振动传感器可用,则可能需要使用其他CbM传感器(如电动机电流或磁场传感器)更可靠地识别特定故障。

具有出色噪音和带宽性能的单轴传感器和三轴检测之间需要有迹线来缓解安装位置的问题,因为可以完全检测到垂直、水平和轴振动,并提供设备运行的深入见解。表6中显示的结果表明,单轴传感器比三轴MEMS传感器具有更好的噪音和带宽性能,但如果不进行重定向和重新测试,则无法可靠地识别大多数故障。

表6三轴MEMS加速度计检测到的常见机械故障的故障频率特性摘要。

1664368728368354.png

市场上还有哪些其他振动传感器产品?他们的比较怎么样?

那么三轴MEMS传感器如何适应振动传感器的频谱呢?图9显示了当前市场上的MEMS振动传感器(基于噪音和带宽)的概览。显示IEPE传感器以供参考,并突出显示MEMS传感器在振动传感器光谱中的确切位置。很明显,不同类型的MEMS传感器可以自然形成集群,用于分配潜在的应用程序。例如,对不重要的设备使用最低成本的传感器(MEMS 3轴),对重要性最高的设备使用最高成本的传感器(IEPE)。单轴IEPE传感器从低到高使用了几十年,在成本和性能方面得到了广泛应用,如图9所示。不难看出,三轴IEPE传感器提供的性能与三轴MEMS传感器类似,但成本要高得多。不太重要的设备群集不能使用成本较高的3轴IEPE传感器。这进一步说明了三轴MEMS传感器在噪音和带宽性能方面可以与一些三轴IEPE传感器相媲美。

1664368755251989.png

图9振动传感器分为3轴MEMS和IEPE,1轴MEMS和IEPE进行比较

哪种传感器最适合可部署的单个以太网状态监测传感器?为什么

单个可部署的以太网状态监测传感器最初设计为接受振动传感器,但系统体系结构可以使用多种类型的传感器(例如温度、压力、声音、位置等),无论是模拟输出还是数字输出。只需对微控制器固件做一些更改。振动传感器必须使用高度集成的(放大器、ADC)小型数字输出(SPI或I2C)传感器,以满足部署单对以太网状态监测传感器的尺寸和性能要求。根据表5中显示的规格,选择了三轴数字输出MEMS加速度计。

用低噪音三轴传感器代替噪音小、带宽大的单轴MEMS传感器,可以提供更多的诊断观点(三轴和一轴),缓解单轴传感器造成的安装问题。下一个主要考虑因素是功耗。ADXL357在IP6x模块内部产生的自热效应比其他传感器小得多。ADXL357不需要ADC或运算放大器,因此减少了整体解决方案的大小,降低了BOM成本。小尺寸解决方案有助于构建小机械外壳,并确保良好的模态频率性能,如“模态分析”部分所述。

高性能宽带宽度(11kHz至23kHz)单轴MEMS传感器(例如,分辨率高达14位的ADXL100x系列)支持无缝集成,但大多数低功耗微控制器仅集成12位ADC,因此可能需要外部ADC来保持性能。但是,如果使用适当的微控制器,通过过度采样和提取技术将分辨率提高到12位以上,则可以轻松地将单轴模拟输出MEMS加速度计集成到现有系统中。如果所需分辨率高于13位,则必须使用模拟输出MEMS或IEPE传感器,如表7所示。

表7高性能MEMS传感器与IEPE传感器的比较

1664368776865559.png

单片机与软件体系结构的选择

图10显示了一个基于简单振动传感器的MQTT体系结构,图11显示了一个简化的方框图,其中可以放置单个以太网状态监测传感器,该传感器可以连接到PC或树莓派。消息队列远程传输传输(MQTT)是一种轻量级消息传输协议,用于internet对象,使internet客户端能够在低带宽环境中分发远程数据。MQTT之所以归类为轻量级,是因为消息中的代码占用的空间很小。这种发布和订阅消息传输模式非常适合以较小的代码使用量和网络带宽连接到远程设备。MQTT广泛应用于石油和天然气、汽车、通信、制造业等多种产业领域。发布者发送消息,订户收到感兴趣的消息。代理将消息从发布者传递给订户。一些MQTT代理可以处理数百万个同时连接的MQTT客户端,这使得许多传感器连接到SPE设备,从而创建传感器数据管道,如图10所示。发布者和订阅者都是MQTT客户端,只能与MQTT代理通信。MQTT客户端可以是Arduino、树莓派、ESP32等任何设备,也可以是节点红或MQTTfx等应用程序。

1664368802570123.png

图10简单的MQTT发布/订阅体系结构

图11的前四个模块包括传感器、微控制器、MAC-PHY和介质转换器。该传感器是能够检测振动的数字输出三轴MEMS传感器。从ADXL357读取数据时,可以使用任何具有SPI接口的标准低功耗微控制器,如MAX78000或MAX32670。MAX78000具有通过内置卷积神经网络(CNN)硬件加速器提供超低功耗边缘AI处理的附加优点。

1664368824712221.png

图11可以部署单对以太网状态监测传感器框图。

将测量的振动数据放置在MQTT主题中,以便通过SPI传输回MAC-PHY。使用低成本的Cortex -M4微控制器,通过SPI读/写ADIN1110 MAC-PHY可以启用多种模式和配置,例如打开或关闭PoDL、仅T1L、主节点或子节点、1V或2.4V,ADIN1110可以将MQTT数据主题转换为10BASE-T1L格式。媒体转换器随后将数据从10BASE-T1L转换为10BASE-T格式,使PC或树莓派能够解释、处理和显示数据。

Adin 1110 10基本型-t1l MAC-phy

ADIN1110是适用于工业应用程序的坚固的单端口低功耗10BASE-T1L以太网MAC-PHY收发器。ADIN1110具有集成的MAC接口,可通过SPI直接连接到各种主机控制器。此SPI通信信道可在不集成MAC的情况下使用低功耗处理器,整体系统级功耗极低。ADIN1110专为部署在建筑物、工厂和流程自动化中的边缘节点传感器和现场仪表而设计。该设备使用1.8V或3.3V单电源导轨电源,支持1.0V和2.4V振幅操作模式和外端连接电阻,可在此安全环境中使用。ADIN1110支持可编程发射级别、外部端电阻和独立的接收和发射针脚,非常适合多种必要的安全应用程序。

以太网到现场或边缘的愿景是将所有传感器和执行器连接到一个统一的IT/OT网络。其中一些传感器受到电力和空间的限制,因此实现这一愿景面临着系统工程的挑战。对低功耗超低功耗微控制器市长/市场的需求正在增加,该控制器具有强大的内部存储功能,适用于传感器和执行器应用程序。但是,大多数这些处理器都有一个问题:没有集成的以太网MAC,不支持MII、RMII或RGMII介质独立(以太网)接口。传统的PHY不能连接到这些处理器/微控制器。

表8列出了可以部署单个以太网状态监测传感器的固件实现。

表8固件代码容量

1664368847202138.png

大多数配备大容量存储的低成本Cortex-M4微控制器非常适合于此应用程序。SPE状态监测传感器的软件体系结构由如图13所示的图12所示的多个组件组成。微控制器可以轻松处理操作系统(FreeRTOS)和MQTT库以及轻量级IP堆栈或lwIP。LwIP是TCP/IP协议系列的小型独立开源实施,旨在提供总体TCP,同时减少RAM使用量。FreeRTOS提供的开源操作系统详细而受支持,可以轻松添加新的代码功能块。实施LwIP TCP/IP的目标是提供全面的传输控制协议(TCP),同时减少资源使用。因此,lwIP适用于具有数十千字节可用RAM和40千字节代码ROM的嵌入式系统。还有其他应用程序,如提供MQTT功能的MQTT客户端。MQTT块由发布/订阅模式组成,提供简单高效的解决方案。在与LwIP堆栈通信之前,ADIN1110驱动器首先与ARP(地址解析协议)块通信,以确保微控制器和ADIN1110之间的无缝网络通信。

image.png

图12软件体系结构

1664368884312943.png

图13传感器框图和各块的代码开发要求。

PyMQTT是基于Python的库扩展,允许将MQTT客户端集成到web应用程序中。可以订阅SPE传感器,提取数据并将其用于在GUI中显示,从而有效地充当paho-mqtt包的包装器,从而简化Python应用程序的mqtt集成。

ADIN2111:适用于集成10BASE-T1L PHY的低复杂性2端口以太网交换机

ADIN2111使用长距离10BASE-T1L技术,通过向工厂/建筑的每个节点添加以太网连接来简化网络管理。ADIN2111支持低功耗边缘节点设计,并通过SPI连接到多种主机控制器。双端口交换机(如ADIN2111)可用于在线或环形拓扑中有限的边缘节点之间以菊花链方式传输数据。线性或环拓扑结构是工业部署的主要体系结构。每个设备需要2个端口进行输入和输出,因此需要1个交换机和2个10base-t1l phy(在adin 2111上提供)。

1664368910337487.png

图14ADIN2111功能方块图

ADIN2111通过一系列诊断功能监控链接质量并检测错误,从而减少调试时间和系统停机时间。支持通过1公里电缆进行实时错误检测和错误位置识别,准确度提高2%,减少了系统停机时间和调试时间。ADIN2111利用现有的单个双绞线基础架构,可以线性或环形拓扑连接传感器、执行器和控制器网络。

数据收集和GUI

如图15所示,使用基于Python的GUI,可以在时间和频率区域可视化振动数据。Python GUI是可执行文件,不需要修改代码。

1664368981247385.jpeg

图15SPE传感器测量微小的20Hz振动

为了验证SPE传感器系统的性能,测试人员进行了一系列测试。不平衡负载测试易于识别时域和频域特性,因此可以作为测试振动传感器性能的可靠方法。图16左侧是时域数据,右侧是频域数据。对于以电动机速度或基本速度测量不平衡载荷的振动,将显示与Y轴和Z轴相关的明确正弦信号。这是因为Y轴和Z轴的位置很容易测量不平衡电动机的最大振动响应。x轴也测量一些冗馀数据,但不是正弦,振幅比Y轴和Z轴至少低一个级别。但是,在频域图形中,X轴与Y、Z轴一样,可以清楚地表示不平衡特征,但宽度要高得多。

为了研究系统的噪声性能,测试人员进行了另一项测试。也就是说,我们在与SPE传感器相同的背板上安装了信号音发生器。人手不能检测振动,但将ADXL357和10BASE-T1L通信管道相结合,可以可靠地检测所有三根轴的异常。

1664369105775577.jpeg

图16SPE传感器检测9VDC电动机(转子上有偏心重量)的不平衡负载

1664369123757636.jpeg

图17750Hz振动信号音测量

结论

ADI在健康监测领域拥有丰富的专业知识,通过强大的传感器、电源设备和以太网连接组合,帮助设计师构建理想的设计,在市长/市场竞争中取胜。ADIN1110单对以太网MAC-PHY是设计师进行振动传感器设计的明智选择,利用以太网IP寻址功能,您可以随时随地访问设备状态信息。

本文讨论的内容只是ADI的传感器、电源和微控制器产品的冰山一角。

作者信息

Chris Murphy是位于爱尔兰都柏林的欧洲中央应用中心的现场技术主管。他于2012年加入ADI,为电机控制和工业自动化产品提供设计支持。他有电子工程硕士学位和计算机工程学士学位。

Richard Anslow是ADI的自动化和能源业务部门的互联运动和机器人团队的系统应用工程师。他的专长是基于状态的监控和工业通信设计。他拥有爱尔兰利默里克大学授予的工程学士学位和工程硕士学位。

_如何设计易于部署的10BASE-T1L单向以太网状态监测振动传感器

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注