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为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第2部分

2020-06-16来源: eefocus关键字:工业4  有线监控  MEMS  MISO  滤波器

在“为工业 4。0 启用可靠的基于状态的有线监控——第 1 部分”一文中,我们介绍了 ADI 公司的有线接口解决方案,该方案帮助客户缩短设计周期和测试时间,让工业 CbM 解决方案更快地进入市场。本文探讨了多个方面,包括选择合适的 MEMS 加速度计和物理层,以及 EMC 性能和电源设计。此外,还包括第一部分介绍的三种设计解决方案和性能权衡。本文为第二部分,着重介绍第一部分展示的 SPI 至 RS-485/RS-422 设计解决方案的物理层设计考量。


为 MEMS 实现有线物理层接口的常见挑战包括管理 EMC 可靠性和数据完整性。但是,在 RS-485/RS-422 长电缆上分布 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,会带来更多挑战。本文讨论以下关键问题,并就物理层接口设计提供建议:

 

  • 管理系统时间同步

 

  • 幸运时时彩平台推荐的数据速率与电缆长度

 

  • 适用于共用电源和数据架构的滤波器设计和仿真

 

  • 虚假电源结构中的无源元件性能权衡

 

  • 元件选择和系统设计窗口

 

  • 试验性测量


时间同步和电缆长度
设计 SPI 至 RS-485/RS-422 链路时,电缆和元件会影响系统时钟和数据同步。在长电缆中传输时,SCLK 信号会在电缆中产生传播延迟,100 米长的电缆会延迟约 400ns 到 500 ns。对于 MOSI 数据传输,MOSI 和 SCLK 会被电缆延迟同等时间。然而,从从机 MISO 发送到主机的数据会出现两倍传播延迟,因而不再与 SCLK 同步。可能的最大 SPI SCLK 基于系统传播延迟设置,包括电缆传播延迟,以及主机和从机元件传播延迟。

 

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 1。1 部分中描述的两个 SPI 至 RS-485/RS-422 设计提供 SPI SCLK 和电缆长度指南。这种非隔离设计使用了 ADI 公司具备高速 EMC 稳健性的小型 RS-485/RS-422 器件(ADM3066E 和 ADM4168E)。这种隔离设计还采用了 ADI 公司的 iCoupler®信号和电源隔离 ADuM5401 器件,可以为 SPI 至 RS-485/RS-422 链路提供更高的 EMC 稳健性和抗噪声干扰性能。这种设计会增加系统传播延迟,导致不可在更高的 SPI SCLK 速率下运行。在更长的电缆(超过 30 米)中传输时,强烈建议增加隔离,以帮助消除接地回路和 EMC 事件的影响,例如静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT),以及与数据传输电缆耦合的高压浪涌。当电缆长度达到或超过 30 米时,隔离和非隔离设计的 SPI SCLK 和电缆长度性能相似,如图 2 所示。

 

幸运时时彩平台图 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

虚假电源将电源和数据部署在一根双绞线上,在主机和从机之间实现单电缆解决方案。将数据和电源部署在同一根电缆上,可以在空间有限的边缘传感器节点上实现单连接器解决方案。


电源和数据通过电感电容网络分布在单根双绞线上,具体如图 3 所示。高频数据通过串联电容与数据线路耦合,可以保护 RS-485/RS-422 收发器免受直流总线电压影响,如图 3a 所示。图 3 所示为通过连接至数据线路的电感连接至主机控制器的电源。如图 3b 所示,5V 直流电源对交流数据总线实施偏置。在图 3c 中,电流路径显示为从机和主机之间的 IPWR,使用电缆远端基于状态监控(CbM)的从机传感器节点上电感从线路中获取电源。

 

图 3. 虚假电源物理层的交流和直流电压电平。


高通滤波器

在本文中,假设将虚假电源电感电容网络部署到两根电缆中,这会部署 SPI MISO 信号的 RS-485/RS-422 转换。图 4 描述主机和从机 SPI 至 RS-485/RS-422 的设计,以及 SPI MISO 数据线的虚假电源滤波器电路。滤波器电路采用高通电缆,所以要求传输的数据信号不能包含直流内容或极低频率的内容。

 

图 4.SPI 至 RS-485/RS-422 设计和虚假电源滤波器电路。


图 5 所示为二阶高通滤波器电路,这是对图 4 的简化演示。RS-485/RS-422 发射器的电压输出标记为 VTX,R1 具备 15Ω输出电阻。R2 为 30 kΩ,是 RS-485/RS-422 接收器的标准输入电阻。电感(L)和电容(C)值可以选择,以匹配所需的系统数据速率。


选择电感(L)和电容(C)值时,需要考虑最大的 RS-485/RS-422 总线压降和压降时间,如图 6 所示。存在一些标准,例如对于单根双绞线以太网 2,指出的最大可允许压降和压降时间如图 6a 所示。对于有些系统,最大的可允许压降和压降时间值可能更大,受信号极性交越点限制,如图 6b 所示。


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

在选择合适的功率电感时,需要考虑许多参数,包括足够的电感、额定 / 饱和电流、自谐振频率(SRF)、低直流电阻(DCR)和封装尺寸。表 1 提供选择的功率电感和参数。


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。


此电感不会给交流数据造成高于其 SRF 的高阻抗,在达到某个点之后,会开始呈现电容性阻抗特性。选择的电感 SRF 会限制在 SPI 至 RS-485/RS-422 物理层上使用的最大 SPI SCLK,如图 1 所示。在长电缆上使用时,可能不会接触到 SRF 电感;例如,电缆超过 10 米时,可能无法达到 11 MHz SPI SCLK 速率(产品型号为 744043101 的 SRF)。在其他情况下,在长电缆上运行时,电感 SRF 可能达到更低的 SPI SCLK 速率(2.4 MHz、1.2 MHz)。如前所述,在虚假电源滤波器网络中使用时,电感也会限制可允许的最低 SCLK 速率。


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。


表 1. 选择的功率电感参数

 


表 2. 功率电感——对封装尺寸的限制
 


选择合适的直流电压隔离电容时,受限因素包括瞬态过电压额定值和直流电压额定值。直流电压额定值需要超过最大的总线电压偏置值,具体如图 3 所示。电路或连接器短路时,电感电流会失衡,会被端电极阻抗消耗。出现短路时,需要设置隔直电容的额定值,以实现峰值瞬态电压。例如,在低功率系统中,电感饱和电流约为 1 A 时,对应的隔直电容额定值至少为直流 50 V。4

 

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

[1] [2]
关键字:工业4  有线监控  MEMS  MISO  滤波器 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.sonata9.com/qrs/ic500362.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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