设计可部署的10BASE-T1L单对以太网状态监测振动传感器
作者：richard anslow and chris murphy
对于状态监控 （cbm） 传感器开发，与标准以太网相比，单对以太网 （spe） 或 10base-t1l 具有显著优势，包括减小传感器尺寸、降低复杂性和低成本布线选项。本文将讨论如何为cbm传感器设计微型共享电源和数据接口（podl）。本文还将讨论电源设计、机械设计、mems传感器选择和软件设计，以获得完整的传感器解决方案。
介绍
ieee开发的新型单对以太网（spe）或10base-t1l物理层标准正在提供新的连接解决方案，用于为基于状态的监控（cbm）应用传达资产运行状况见解。spe 提供共享电源和高带宽数据架构，其中 10 mbps 数据和电源在超过 1000 米距离的低成本 2 芯电缆上共享。
adi公司设计了业界首款10base-t1l mac-phy（adin1110），这是一款具有嵌入式mac的单对以太网收发器。adin1110使用简单的spi总线与嵌入式微控制器通信，从而降低了传感器的功耗和固件开发时间。
在本文中，您将学习如何设计一个小巧但功能强大的传感器，如图1所示。本文将介绍：
如何设计小型共享数据和电源通信接口
如何为传感器设计超低噪声电源
微控制器和软件架构选择
选择合适的mems振动传感器
集成数字硬件设计和机械外壳
电脑上的数据收集 ui 示例
如何设计小型共享数据和电源通信接口
什么是 podl？
电源和数据使用电感电容网络分布在一根双绞线上，如图2所示。高频数据通过串联电容耦合到数据线，这还可以保护adin1100 10base-t1l phy免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的耦合电感器连接到pse（供电设备）控制器的电源。the 24 v直流电源偏置交流数据总线，如图2（b）所示。在图 2（c） 中，当前路径显示为 i压水堆在pse和pd（用电设备）之间，使用cbm传感器节点上的耦合电感器从线路中提取功率。
图2.共享电源和数据线 （podl） 的基本原则。
如何设计小型 podl 电路？
图2包括耦合电感和串联电容，它们是podl操作所需的最基本元件。可靠性和容错需要额外的组件。
由于podl耦合电感是非理想元件，因此会发生一些差分到共模转换。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有助于缓解这种非理想行为，并保护设计免受来自电缆的共模噪声的影响。需要检查共模扼流圈载流量和dcr，以确保它们能够支持传感器的充足功率传输。
防止极性电缆安装不正确，例如，24 v直流的 pse phy 连接到 0 v直流pd phy—建议使用桥式整流二极管。为了提高emc鲁棒性，工作电压大于24 v的tvs二极管直流是必需的。如果传感器硬件设计较大，则可以使用其他emc组件（例如，信号线上的高压电容器）。
使用所有这些组件设计小型podl电路可能具有挑战性，但幸运的是，大多数供应商都为整流二极管、tvs二极管和无源元件提供了具有竞争力的解决方案。通常，必须选择具有超低电容的元件，以最大程度地减少信号失真。建议耦合电感和电容值的电感和电容值分别为220 μh和220 nf，但在仿真或设计裕量测试中可以更大。表1列出了可用于传感器设计的极小尺寸元件。
元件 部件号 评论
共模扼流圈 伍尔特744242471 470微小时
电视 柏恩 cdsod323-t36sc
耦合电感器（功率） 线艺lpd5030-224mrb 220微小时
桥式整流二极管 柏恩 cd-hd2006l
串联电容 太阳汤殿hmk107c7224kahte e 220 nf
耦合电感器额定电流需要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 240 ma，大大超过了对 10base-t1l 传感器节点的要求。由于额定电流要求相对较低，因此可以减小电感器的尺寸。表 2 显示，4.8 mm × 4.8 mm lpd5030-224mrb 是满足 10base-t1l 链路要求的最小组件。
参数 对电感器封装尺寸的影响 lpd5030-224mrb 值 评论
足够高的电感 电感值越高，内部绕组越大，封装尺寸越大。 220 微小时 ±20% 推荐的 podl 电感。
更高的srf（自谐振频率） srf 越高，内部绕组越少，尺寸越小。 5.53兆赫 大于 10base-t1l 链路上的最大 10 mbps 数据速率。
更高的额定电流和饱和电流 内部绕组更少，但封装尺寸更大。 0.24 安培， 0.31 安培 超过 10base-t1l mems 传感器要求。
低直流电 为了实现更低的dcr，电线需要更粗，绕组更少。 3.3 ω 很难在更小的封装中使用较厚的绕组。
如何检查我的 podl 电路是否正常工作？
针对 10base-t1l 的 ieee 802.3cg-2019 标准概述了 phy 要满足的电气规格，包括电压电平、定时抖动、功率谱密度、回波损耗和信号下降（衰减）。podl电路会影响通信通道，回波损耗和信号衰减（或下降）是两个重要因素。
回波损耗是网络上可能发生的信号反射的量度，由电缆链路上所有位置的阻抗不匹配引起。回波损耗以分贝表示，对于10base-t1l中使用的高数据速率或长电缆距离（1700 m）通信，回波损耗尤其值得关注。图3（基于graber的工作1） 显示了单对以太网 （spe） 10base-t1l 标准 （10spe） 物理层或 mdi 的 ltspice 仿真电路。仿真电路包括adi公司的adin1110或adin1100 10base-t1l以太网phy/mac-phy的100 ω ±10%端接电阻。对信号耦合电容、功率耦合电感、共模扼流圈和其他emc保护元件进行了建模。功率耦合电感标称值为1000 μh，占两个220 μh电感，每个电感有两个绕组（880 μh加裕量）。对于某些元件，推荐的元件值和容差范围是使用ltspice蒙特卡罗语法添加的。图4显示了使用ltspice添加的相应的蒙特卡罗仿真波形和极限线。所选元件和容差将符合回波损耗模板规格。®
图3.使用ltspice蒙特卡罗函数进行mdi回波损耗仿真。
图4.蒙特卡罗模拟波形。
如何设计超低噪声电源
有线状态监测传感器具有严格的抗噪性要求。对于铁路、自动化和重工业（例如纸浆和造纸加工）的cbm，振动传感器解决方案需要输出小于1 mv的噪声，以避免在数据采集/控制器处触发错误的振动水平。这意味着电源设计需要向测量电路（mems信号链）输出非常小的噪声（低输出纹波）。mems传感器的电源设计还必须不受耦合到共享电源和数据电缆的噪声的影响（高psrr）。
确保mems传感器能够检测到非常小的振动需要非常低的噪声电源。adxl1002 mems加速度计的输出电压噪声密度规格为25 μg√hz。在正常工作期间，mems电源需要满足或超过此规格，以避免降低传感器性能。
有线 cbm 传感器通常由 24 v 供电直流至 30 v直流，这就需要具有高输入范围和高效率的降压转换器，以最大限度地降低功耗并提高传感器的长期可靠性。由于非理想容性负载，降压转换器电压纹波可能为10毫伏，不适合为3 v/5 v mems传感器供电。使用共模扼流圈或大容量电容可以降低降压输出纹波电压。但是，降压输出端需要超低噪声ldo稳压器，以确保为mems传感器提供微伏噪声电源。
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。lt8618 专为具有以下特点的工业传感器而设计：
高达 60 v 的宽输入范围
低输出电流 100 ma
效率高达 90%
微型 2 mm × 2 mm lqfn 封装
图5显示了24 v电压的lt8618直流输入，调节至3.7 v，然后输入至lt3042，lt3042为mems传感器电路提供3.3 v电压。
图5.数字有线mems传感器的电源设计。
lt®3042 是一款高性能超低噪声 ldo 稳压器，具有：
0.8 μv rms（10 hz至100 khz）时的超低均方根噪声
超高公共磁比（1 mhz 时为 79 db）
微型 3 mm × 3 mm dfn 封装
文章“如何使用ltspice进行emc仿真获得最佳结果—第1部分”2详细介绍了ltspice仿真电路，并讨论了lt8618和lt3042的emc性能。本文中的图 19 和图 20 显示了在 lt3042 输入端施加 emc 干扰时的仿真结果。这表明lt3042的电压纹波小于200 μv，即使其输入端存在1 v p-p emc干扰。
集成数字硬件设计和机械外壳
钢或铝外壳用于容纳mems振动传感器，并为受监控资产提供牢固的附件，并提供防水和防尘（ip67）。对于振动传感器，外壳的固有频率必须大于mems传感器测量的施加振动载荷的频率。
adxl1002 mems的频率响应图如图6所示。adxl1002 3 db带宽为11 khz，谐振频率为21 khz。用于容纳adxl1002的保护外壳需要在灵敏度轴上具有21 khz或更高的第一固有频率。同样，在设计三轴传感器时，需要在垂直和径向方向上分析机械外壳的固有频率。
图6.mems和机械外壳频率响应设计目标。
传感器原型在模态振动台上进行测试，模态振动台提供了一个受控的环境来设置振动测试水平并扫描频率。传感器频率响应的测试结果应与图6所示的mems传感器信息紧密一致。
模态分析
模态分析是一种常用的技术，用于深入了解外壳的振动特性。模态分析提供设计的固有频率和法线模态（相对变形）。使用ansys或类似程序的有限元方法（fem）可用于仿真结构的模态响应，从而有助于优化设计并减少传感器原型迭代次数。
公式1是单自由度系统的模态分析控制方程的简化。固有频率与外壳设计的质量矩阵 （m） 和刚度矩阵 （k） 有关。公式1提供了一种简单直观的设计评估方法。随着传感器外壳高度的减小，刚度增加，质量减小，因此固有频率增加。此外，随着外壳高度的增加，刚度会降低，质量会增加，从而导致固有频率降低。
大多数设计具有多个自由度。有些设计有数百个。使用有限元方法可以快速计算公式1，手动计算非常耗时。
使用ansys模态进行仿真时，求解器会输出固有频率和模式参与因子（mpf）。mpf 用于确定哪些固有频率对您的设计最重要。相对较高的mpf意味着特定频率可能是设计中的问题。表3所示的示例表明，虽然在x轴仿真中预测了500 hz的固有频率，但该模式是弱激励的，不太可能成为问题。800 hz强模式在外壳x轴上被激励，如果mems敏感轴在外壳x轴上定向，则会出现问题。但是，如果设计人员具有面向外壳z轴测量的mems传感器pcb，则对800 hz的这种x轴强模式不感兴趣。
模式 频率，赫兹 轴 强积金 强积金评论
1 500 x 0.001 弱模式
2 800 x 0.45 强模式
3 1500 y 0.6 强模式
4 3000 y 0.002 弱模式
5 10,000 z 0.33 强模式
10base-t1l传感器原型的模态分析
文章“如何使用模态分析设计一个好的振动传感器外壳”3提供了模态分析的详细概述。虽然ansys是分析结构模态响应的高效而复杂的工具，但了解基础方程将有助于设计。基本方程表明，外壳固有频率受材料选择和几何形状的影响。与矩形相比，具有较高横截面积的圆柱形设计得更好，可在所有轴上实现更高的刚度和固有频率。与圆柱形相比，矩形在传感器方向和设备连接方面提供了更多选择。有关示例和模拟结果，请参阅文章。
10base-t1l传感器原型采用三轴1 khz带宽mems传感器（adxl357）设计，设计目标是创建支持大于1 khz的外壳。如图7所示，创建了一个矩形外壳设计，并使用ansys进行仿真。表4显示了仿真结果，固有频率和模式参与因子表明，所有三个轴的带宽至少为6 khz。该设计在 x 轴表面末端使用 m6 凸耳。使用这些连接点将确保牢固的设备连接和最佳的模态性能。
图7.用于adxl357三轴mems传感器和adin1110 10base-t1l mac-phy电路的外壳。
模式 频率，赫兹 轴 强积金
1 11663 x 6080
2 6632 y 0.057
3 30,727 y 0.187
4 6080 z 0.370
选择合适的mems振动传感器
选择加速度计时需要注意哪些规格？
虽然没有对振动传感器进行分类的官方标准，但可以使用其有效分辨率将它们分类，如图8所示。可以清楚地看到，与压电传感器相比，mems加速度计覆盖的面积很小。mems加速度计专为许多特定应用而设计，例如安全气囊碰撞检测、车辆侧翻检测、机械臂定位、平台稳定、精密倾斜检测等等。mems制造商仅在几年前开发出足以与iepe振动传感器竞争的传感器，因此，该技术仍处于起步阶段，因此有线cbm安装的覆盖范围较小，如图8左侧所示。然而，随着越来越多的mems供应商投资于状态监测振动传感器解决方案，预计未来几年这一数字将增长。
图8.用于有线应用的mems和压电传感器系列。
mems传感器具有一些优势，这些优势在振动传感器领域被证明是颠覆性的。例如，市场上绝大多数mems传感器具有三轴、集成adc、数字滤波、出色的线性度、低成本和低重量，与压电或iepe/icp传感器相比，它们非常小，如表5所示。虽然iepe传感器将继续用于最关键的资产，但维护和设施经理正在寻求从不太重要的资产中提取更深入的见解，以转向提高生产力，效率和可持续性 - 即最大限度地减少计划外停机时间并延长资产的使用寿命。在这种情况下，无论是mems还是iepe，都将使用成本和性能更低的传感器，这就提出了一个问题：具有卓越噪声和带宽性能的单轴iepe传感器是否总是比具有三轴的mems传感器更好的选择？
模式 adxl357 adxl1002 压电传感器 （603c01）
尺寸（毫米） 6 × 5.6 × 2.2 5 × 5 × 1.8 18 × 42.2
集成模数转换器 是的 不 不
哈哈轴
3 1 1
电源 （v） 2.25 到 3.6 3.3 到 5.25 18 到 28
接口 spi 模拟 模拟
重量（g） <0.2 <0.2 51
噪音（微克/√赫兹) 80 25 350
带宽（千赫） 1 11 10
电流消耗 200 微安 1毫安 2 ma 至 20 ma
3轴mems传感器与iepe振动传感器相比如何？
如表6所示，已经对三轴mems加速度计的有效性进行了广泛的测试，以绝对的置信度识别高性能单轴甚至双轴iepe振动传感器无法检测到的特定故障。1单轴振动传感器无法绝对确定地检测到弯曲轴、偏心转子、轴承问题和翘起转子等故障，除非在安装前努力了解特定的异常情况。当只有一个单轴振动传感器可用时，将需要其他cbm传感器，如电机电流或磁场，以更可靠地识别某些故障。
具有卓越噪声和带宽的单轴传感器与三轴传感之间存在权衡，这些额外的轴可以缓解安装位置挑战，因为将检测到所有垂直、水平和轴向振动，并提供对资产操作的更深入见解。根据表6中的结果，如果不重新定向和重新测试，单轴传感器就无法可靠地识别大多数故障，即使它比三轴mems传感器具有更好的噪声和带宽。
故障 频谱特征 可通过 1 轴检测 笔记
可通过 z 轴（垂直）检测 可通过 y 轴（水平）检测 可通过 x 轴（轴向）检测 可靠的单轴检测
不平衡负载 基本 （1×）
基本 （1×） 9×、10× 是的 额外的轴为测量提供了更大的信心
偏心转子 基本 （1×） 3× 不 轴向特征清楚地指示转子偏心
翘起转子
基本 （1×） 3×， 4×， 5×， 6×， 7×， 8×， 9×， 10× 不 高谐波时的轴向特征可清楚地识别翘起的转子
弯曲轴 基本 （1×） 基本 （1×） 3× 可能 轴向特征清楚地指示弯曲的轴
北京交通便利组织 3× （北京交通便利化）， 4× 3× （北京交通便利化）， 4× 是的 x 轴上的单轴测量会错过这一点
bpfi 基本 （1×） 5× （bpfi） 不 在 x 轴或 z 轴上测量会错过此故障
还有哪些其他振动传感器可用，它们如何比较？
那么，3轴mems传感器如何适应振动传感器频谱呢？图9显示了目前可用的mems振动传感器的概述，基于其噪声与带宽的关系。iepe传感器仅供参考，并帮助突出显示mems传感器在振动传感器频谱中的确切位置。很明显，不同类型的mems传感器自然而然地形成了集群，我们可以用来分配潜在的用例，例如，成本最低的传感器（mems三轴）将用于较低的关键性资产，而最高成本的传感器（iepe）将用于最高关键性的资产。单轴iepe传感器已经使用了几十年，涵盖了从低关键性到高关键性应用的所有领域，并且在成本和性能方面非常普遍，如图9所示。很明显，三轴iepe传感器具有与三轴mems传感器相似的性能，但成本要高得多。对于低关键性资产集群，由于成本高，使用三轴iepe传感器是不可行的，但这进一步突出了三轴mems传感器在噪声和带宽方面可以与一些三轴iepe传感器竞争的观点。
图9.三轴mems和iepe以及单轴mems和iepe的振动传感器的比较。
哪种传感器最适合可部署的单对以太网调节监控传感器，为什么？
可部署的单对以太网状态监测传感器设计用于容纳振动传感器，但系统架构允许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进行最小的更改。振动传感器必须很小，数字输出（spi或i2c）具有高集成度（放大器、adc），以满足可部署的单对以太网状态监测传感器的尺寸和性能要求。根据表5所示的规格选择3轴数字输出mems加速度计。
选择低噪声三轴传感器而不是低噪声、带宽更宽的单轴mems传感器，以提供更多的诊断见解（3轴与1轴），并缓解与单轴传感器相关的安装挑战。下一个关键考虑因素是功耗，与其他传感器相比，adxl357在ip6x模块内产生的自发热效应较小，因为adxl357不需要adc或运算放大器，从而减小了整体解决方案尺寸和bom成本。减小的解决方案尺寸可确保较小的机械外壳和良好的模态频率性能，如模态分析部分所述。
更高性能、单轴、宽带宽（11 khz至23 khz）mems传感器，如具有高达14位分辨率的adxl100x系列，可以无缝集成，但这可能需要外部adc来保持性能，因为大多数低功耗微控制器仅集成12位adc。然而，使用合适的微控制器，可以使用过采样和抽取将分辨率提高到12位以上，这意味着单轴模拟输出mems加速度计可以毫不费力地集成到现有系统中。请注意，如果您需要优于13位的分辨率，则必须使用模拟输出mems或iepe传感器，如表7所示。
传感器 范围 （±g) 峰峰值输出范围 （v） 通道数 线性度 （±%fsr） 静电放电（微克/√赫兹) 1/f 角落 （赫兹） 平坦带宽 （千赫） 噪声平坦带宽（微克有效值） dr @ 平坦带宽 （db） enob at flat bw 谐振频率 （千赫）
adxl1002 50
4 1 0.1 25 0.1 11 2622.02 82.60 13.43 21
adxl1004 500 4 1 0.25 125 0.1 24 19364.92 85.23 13.87 45
adxl356b
40 1.6 3 ;0.1 110 0.1 1 3478.51 78.20 12.70 5.5
电路板 621b40 500 10 1 1 10 1000 30 1732.05 104.95 17.14 85
电路板 352c04 500 10 1 1 4 400 10 400.00 118.93 19.46 50
电路板 333b52 5 10 1 1 0.4 1000 3 21.91 98.50 16.07 20
微控制器和软件架构选择
图 10 显示了一个简单的基于振动传感器的 mqtt 架构，图 11 显示了与 pc 或 raspberry pi 接口的可部署单对以太网调理监控传感器的高级框图。消息队列遥测传输 （mqtt） 是物联网的轻量级消息传递协议，允许网络客户端在低带宽环境中分发遥测数据。mqtt 被认为是轻量级的，因为它的消息具有较小的代码占用空间。发布和订阅消息传输非常适合以最小的代码占用量和网络带宽连接远程设备。mqtt 广泛用于石油和天然气、汽车、电信和制造业等众多行业。发布者发送消息，订阅者接收他们感兴趣的消息。代理将消息从发布者传递到订阅者。一些 mqtt 代理处理数百万个并发连接的 mqtt 客户端，这是吸引人的功能之一，许多传感器可以连接到一个 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只能与 mqtt 代理通信的 mqtt 客户端。mqtt 客户端可以是任何设备，如 arduino、raspberry pi、esp32，也可以是 node-red 或 mqttfx 等应用程序。
图 10.mqtt 简单的发布/订阅架构。
图 11.可部署的单对以太网状态监测传感器框图。
图 11 中的前四个模块由传感器、微控制器、mac-phy 和媒体转换器组成。该传感器是数字输出三轴mems传感器，可以检测振动。任何带有spi接口的标准低功耗微控制器，如max78000或max32670，都可用于从adxl357读取数据。max78000具有额外的优势，具有内置卷积神经网络（cnn）硬件加速器，可提供超低功耗边缘ai处理能力。
测量的振动数据被放入 mqtt 主题中，以便再次通过 spi 传输到 mac-phy。低成本cortex -m4微控制器可用于通过spi读取/写入adin1110 mac-phy，以实现不同的模式和配置，例如podl on或off、t1l专用节点、主节点或子节点、1 v或2.4 v。adin1110将mqtt数据主题转换为10base-t1l格式，并传输超过300 m的ip67防护等级电缆，具有先进的屏蔽功能，可达到1700 m以上的鲁棒性。然后，媒体转换器将数据从 10base-t1l 转换为 10base-t 格式，以便 pc 或 raspberry pi 可以解释数据，然后处理和显示数据。®
adin1110 10碱基-t1l 物理
adin1110是一款面向工业应用的可靠、单端口、低功耗10base-t1l以太网mac-phy收发器。adin1110集成mac接口，可通过spi与各种主机控制器直接连接。该spi通信通道支持使用低功耗处理器，无需集成mac，从而提供最低的整体系统级功耗。adin1110专为楼宇、工厂和过程自动化中部署的边缘节点传感器和现场仪表而设计。该器件采用1.8 v或3.3 v单电源轨供电，支持1.0 v和2.4 v幅度工作模式以及外部端接电阻，支持在本质安全环境中使用。可编程发射电平、外部端接电阻以及独立的接收和发送引脚使adin1110适合本质安全应用。
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融合的it/ot网络。为了实现这一愿景，存在系统工程挑战，因为其中一些传感器的功率和空间有限。低功耗和超低功耗微控制器市场不断增长，这些微控制器具有重要的内部存储器功能，适用于传感器和执行器应用。但这些处理器中的大多数都有一个共同点 - 没有集成的以太网mac，它们不支持mii，rmii或rgmii媒体独立（以太网）接口。传统的phy无法连接到这些处理器/微控制器。
可部署的单对以太网状态监测传感器的固件实现如表 8 所示。
内存类型 描述 大小 （kb）
总反渗透率（常数） 代码 + ro 数据 110
总内存大小 rw 数据 + 零初始化数据 121
总 rom 尺寸 代码 + ro 数据 + rw 数据 110
大多数具有足够存储器的低成本cortex-m4微控制器都适合此应用。spe状态监测传感器软件架构如图13所示，它由多个元件组成，相应的框图如图12所示。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，这是 tcp/ip 协议套件的小型独立开源实现，旨在减少 ram 使用量，同时仍具有全尺寸 tcp。freertos 提供了一个开源的、文档非常完善且受支持的操作系统，可以轻松添加新的功能代码块。lwip tcp/ip 实现的目的是提供全面的传输控制协议 （tcp），同时减少资源使用，使 lwip 非常适合用于具有 10 kb 可用 ram 和大约 40 kb 代码 rom 的嵌入式系统。还有一些附加应用程序，例如用于提供 mqtt 功能的 mqtt 客户端。mqtt 块配置为发布/订阅模式，提供简化、高效的解决方案。adin1110驱动器在与lwip堆栈通信之前需要与地址解析协议（arp）模块通信，以确保微控制器与adin1110之间的无缝网络通信。
图 12.软件架构。
图 13.传感器框图和每个模块的代码开发要求。
pymqtt是一个基于python的库扩展，用于将mqtt客户端集成到web应用程序中。它用于订阅spe传感器，提取数据并将其显示在gui中，因此，它有效地充当paho-mqtt包的包装器，以简化mqtt与python应用程序的集成。
adin2111： 集成10base-t1l phy的低复杂度、2端口以太网交换机
adin2111采用长距离10base-t1l技术为工厂/建筑物中的每个节点添加以太网连接，从而简化网络管理。adin2111支持低功耗边缘节点设计，并通过spi与各种主机控制器接口。adin2111等双端换机可用于在线路或环形拓扑中的受限边缘节点之间以菊花链方式连接数据。线形和环形拓扑是工业部署中的主要架构。每个器件都需要两个输入和输出端口，因此每个器件都需要一个开关和两个adin2111提供的10base-t1l phy。
图 14.adin2111功能框图
adin2111具有一套诊断功能，可以监控链路质量并检测故障，从而缩短调试时间和系统停机时间。它可以在 1 km 的电缆上以 2% 的精度实现实时故障检测和故障定位检测，有助于减少停机时间和调试时间。adin2111支持将传感器、执行器和控制器网络连接成一条线或环形网络 拓扑，同时利用现有部署的单双绞线布线基础设施。
数据采集和图形用户界面
振动数据可以使用基于 python 的 gui 在时域和频域中可视化，如图 15 所示。python gui 是一个可执行文件，因此除非您要修改它，否则不需要进行代码开发。
图 15.spe 传感器测量难以察觉的 20 hz 振动。
为了验证spe传感器系统的性能，进行了一系列测试。不平衡负载测试是测试振动传感器性能的可靠方法，因为时域和频域特征很容易识别。图16显示了左侧的时域数据和右侧的频域数据。在 y 轴和 z 轴上，有一个清晰的正弦信号，与电机转速或基本转速下的不平衡负载测量的振动相关。这是因为 y 轴和 z 轴的位置是为了测量不平衡电机的最大振动响应。x 轴确实测量一些重复的数据，但它不是正弦的，并且振幅比 y 轴和 z 轴低一个数量级或更多。然而，在频域图上，x轴清楚地显示出不平衡特征，y和z也是如此，但幅度要高得多。
图 16.spe 传感器检测来自 9 vdc 电机的不平衡负载，转子上有偏心重物。
为了研究系统的噪声性能，使用了另一项测试，将音调发生器放置在与spe传感器相同的底板上。人手无法察觉振动，但adxl357与10base-t1l通信流水线相结合，可以可靠地检测所有三个轴上的异常。
图 17.750 hz 振动音调测量。
结论
adi公司在状态监测领域拥有深厚的专业知识，加上强大的传感器、功率器件和以太网连接产品组合，使设计人员能够在第一时间以正确的设计进入市场。adin1110单对以太网mac-phy是设计人员创建振动传感器的最佳选择，振动传感器可用于通过以太网ip寻址功能随时随地访问资产运行状况信息。
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对于状态监控 （cbm） 传感器开发，与标准以太网相比，单对以太网 （spe） 或 10base-t1l 具有显著优势，包括减小传感器尺寸、降低复杂性和低成本布线选项。本文将讨论如何为cbm传感器设计微型共享电源和数据接口（podl）。本文还将讨论电源设计、机械设计、mems传感器选择和软件设计，以获得完整的传感器解决方案。
介绍
ieee开发的新型单对以太网（spe）或10base-t1l物理层标准正在提供新的连接解决方案，用于为基于状态的监控（cbm）应用传达资产运行状况见解。spe 提供共享电源和高带宽数据架构，其中 10 mbps 数据和电源在超过 1000 米距离的低成本 2 芯电缆上共享。
adi公司设计了业界首款10base-t1l mac-phy（adin1110），这是一款具有嵌入式mac的单对以太网收发器。adin1110使用简单的spi总线与嵌入式微控制器通信，从而降低了传感器的功耗和固件开发时间。
在本文中，您将学习如何设计一个小巧但功能强大的传感器，如图1所示。本文将介绍：
如何设计小型共享数据和电源通信接口
如何为传感器设计超低噪声电源
微控制器和软件架构选择
选择合适的mems振动传感器
集成数字硬件设计和机械外壳
电脑上的数据收集 ui 示例
如何设计小型共享数据和电源通信接口
什么是 podl？
电源和数据使用电感电容网络分布在一根双绞线上，如图2所示。高频数据通过串联电容耦合到数据线，这还可以保护adin1100 10base-t1l phy免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的耦合电感器连接到pse（供电设备）控制器的电源。the 24 v直流电源偏置交流数据总线，如图2（b）所示。在图 2（c） 中，当前路径显示为 i压水堆在pse和pd（用电设备）之间，使用cbm传感器节点上的耦合电感器从线路中提取功率。
图2.共享电源和数据线 （podl） 的基本原则。
如何设计小型 podl 电路？
图2包括耦合电感和串联电容，它们是podl操作所需的最基本元件。可靠性和容错需要额外的组件。
由于podl耦合电感是非理想元件，因此会发生一些差分到共模转换。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有助于缓解这种非理想行为，并保护设计免受来自电缆的共模噪声的影响。需要检查共模扼流圈载流量和dcr，以确保它们能够支持传感器的充足功率传输。
防止极性电缆安装不正确，例如，24 v直流的 pse phy 连接到 0 v直流pd phy—建议使用桥式整流二极管。为了提高emc鲁棒性，工作电压大于24 v的tvs二极管直流是必需的。如果传感器硬件设计较大，则可以使用其他emc组件（例如，信号线上的高压电容器）。
使用所有这些组件设计小型podl电路可能具有挑战性，但幸运的是，大多数供应商都为整流二极管、tvs二极管和无源元件提供了具有竞争力的解决方案。通常，必须选择具有超低电容的元件，以最大程度地减少信号失真。建议耦合电感和电容值的电感和电容值分别为220 μh和220 nf，但在仿真或设计裕量测试中可以更大。表1列出了可用于传感器设计的极小尺寸元件。
元件 部件号 评论
共模扼流圈 伍尔特744242471 470微小时
电视 柏恩 cdsod323-t36sc
耦合电感器（功率） 线艺lpd5030-224mrb 220微小时
桥式整流二极管 柏恩 cd-hd2006l
串联电容 太阳汤殿hmk107c7224kahte e 220 nf
耦合电感器额定电流需要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 240 ma，大大超过了对 10base-t1l 传感器节点的要求。由于额定电流要求相对较低，因此可以减小电感器的尺寸。表 2 显示，4.8 mm × 4.8 mm lpd5030-224mrb 是满足 10base-t1l 链路要求的最小组件。
参数 对电感器封装尺寸的影响 lpd5030-224mrb 值 评论
足够高的电感 电感值越高，内部绕组越大，封装尺寸越大。 220 微小时 ±20% 推荐的 podl 电感。
更高的srf（自谐振频率） srf 越高，内部绕组越少，尺寸越小。 5.53兆赫 大于 10base-t1l 链路上的最大 10 mbps 数据速率。
更高的额定电流和饱和电流 内部绕组更少，但封装尺寸更大。 0.24 安培， 0.31 安培 超过 10base-t1l mems 传感器要求。
低直流电 为了实现更低的dcr，电线需要更粗，绕组更少。 3.3 ω 很难在更小的封装中使用较厚的绕组。
如何检查我的 podl 电路是否正常工作？
针对 10base-t1l 的 ieee 802.3cg-2019 标准概述了 phy 要满足的电气规格，包括电压电平、定时抖动、功率谱密度、回波损耗和信号下降（衰减）。podl电路会影响通信通道，回波损耗和信号衰减（或下降）是两个重要因素。
回波损耗是网络上可能发生的信号反射的量度，由电缆链路上所有位置的阻抗不匹配引起。回波损耗以分贝表示，对于10base-t1l中使用的高数据速率或长电缆距离（1700 m）通信，回波损耗尤其值得关注。图3（基于graber的工作1） 显示了单对以太网 （spe） 10base-t1l 标准 （10spe） 物理层或 mdi 的 ltspice 仿真电路。仿真电路包括adi公司的adin1110或adin1100 10base-t1l以太网phy/mac-phy的100 ω ±10%端接电阻。对信号耦合电容、功率耦合电感、共模扼流圈和其他emc保护元件进行了建模。功率耦合电感标称值为1000 μh，占两个220 μh电感，每个电感有两个绕组（880 μh加裕量）。对于某些元件，推荐的元件值和容差范围是使用ltspice蒙特卡罗语法添加的。图4显示了使用ltspice添加的相应的蒙特卡罗仿真波形和极限线。所选元件和容差将符合回波损耗模板规格。®
图3.使用ltspice蒙特卡罗函数进行mdi回波损耗仿真。
图4.蒙特卡罗模拟波形。
如何设计超低噪声电源
有线状态监测传感器具有严格的抗噪性要求。对于铁路、自动化和重工业（例如纸浆和造纸加工）的cbm，振动传感器解决方案需要输出小于1 mv的噪声，以避免在数据采集/控制器处触发错误的振动水平。这意味着电源设计需要向测量电路（mems信号链）输出非常小的噪声（低输出纹波）。mems传感器的电源设计还必须不受耦合到共享电源和数据电缆的噪声的影响（高psrr）。
确保mems传感器能够检测到非常小的振动需要非常低的噪声电源。adxl1002 mems加速度计的输出电压噪声密度规格为25 μg√hz。在正常工作期间，mems电源需要满足或超过此规格，以避免降低传感器性能。
有线 cbm 传感器通常由 24 v 供电直流至 30 v直流，这就需要具有高输入范围和高效率的降压转换器，以最大限度地降低功耗并提高传感器的长期可靠性。由于非理想容性负载，降压转换器电压纹波可能为10毫伏，不适合为3 v/5 v mems传感器供电。使用共模扼流圈或大容量电容可以降低降压输出纹波电压。但是，降压输出端需要超低噪声ldo稳压器，以确保为mems传感器提供微伏噪声电源。
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。lt8618 专为具有以下特点的工业传感器而设计：
高达 60 v 的宽输入范围
低输出电流 100 ma
效率高达 90%
微型 2 mm × 2 mm lqfn 封装
图5显示了24 v电压的lt8618直流输入，调节至3.7 v，然后输入至lt3042，lt3042为mems传感器电路提供3.3 v电压。
图5.数字有线mems传感器的电源设计。
lt®3042 是一款高性能超低噪声 ldo 稳压器，具有：
0.8 μv rms（10 hz至100 khz）时的超低均方根噪声
超高公共磁比（1 mhz 时为 79 db）
微型 3 mm × 3 mm dfn 封装
文章“如何使用ltspice进行emc仿真获得最佳结果—第1部分”2详细介绍了ltspice仿真电路，并讨论了lt8618和lt3042的emc性能。本文中的图 19 和图 20 显示了在 lt3042 输入端施加 emc 干扰时的仿真结果。这表明lt3042的电压纹波小于200 μv，即使其输入端存在1 v p-p emc干扰。
集成数字硬件设计和机械外壳
钢或铝外壳用于容纳mems振动传感器，并为受监控资产提供牢固的附件，并提供防水和防尘（ip67）。对于振动传感器，外壳的固有频率必须大于mems传感器测量的施加振动载荷的频率。
adxl1002 mems的频率响应图如图6所示。adxl1002 3 db带宽为11 khz，谐振频率为21 khz。用于容纳adxl1002的保护外壳需要在灵敏度轴上具有21 khz或更高的第一固有频率。同样，在设计三轴传感器时，需要在垂直和径向方向上分析机械外壳的固有频率。
图6.mems和机械外壳频率响应设计目标。
传感器原型在模态振动台上进行测试，模态振动台提供了一个受控的环境来设置振动测试水平并扫描频率。传感器频率响应的测试结果应与图6所示的mems传感器信息紧密一致。
模态分析
模态分析是一种常用的技术，用于深入了解外壳的振动特性。模态分析提供设计的固有频率和法线模态（相对变形）。使用ansys或类似程序的有限元方法（fem）可用于仿真结构的模态响应，从而有助于优化设计并减少传感器原型迭代次数。
公式1是单自由度系统的模态分析控制方程的简化。固有频率与外壳设计的质量矩阵 （m） 和刚度矩阵 （k） 有关。公式1提供了一种简单直观的设计评估方法。随着传感器外壳高度的减小，刚度增加，质量减小，因此固有频率增加。此外，随着外壳高度的增加，刚度会降低，质量会增加，从而导致固有频率降低。
大多数设计具有多个自由度。有些设计有数百个。使用有限元方法可以快速计算公式1，手动计算非常耗时。
使用ansys模态进行仿真时，求解器会输出固有频率和模式参与因子（mpf）。mpf 用于确定哪些固有频率对您的设计最重要。相对较高的mpf意味着特定频率可能是设计中的问题。表3所示的示例表明，虽然在x轴仿真中预测了500 hz的固有频率，但该模式是弱激励的，不太可能成为问题。800 hz强模式在外壳x轴上被激励，如果mems敏感轴在外壳x轴上定向，则会出现问题。但是，如果设计人员具有面向外壳z轴测量的mems传感器pcb，则对800 hz的这种x轴强模式不感兴趣。
模式 频率，赫兹 轴 强积金 强积金评论
1 500 x 0.001 弱模式
2 800 x 0.45 强模式
3 1500 y 0.6 强模式
4 3000 y 0.002 弱模式
5 10,000 z 0.33 强模式
10base-t1l传感器原型的模态分析
文章“如何使用模态分析设计一个好的振动传感器外壳”3提供了模态分析的详细概述。虽然ansys是分析结构模态响应的高效而复杂的工具，但了解基础方程将有助于设计。基本方程表明，外壳固有频率受材料选择和几何形状的影响。与矩形相比，具有较高横截面积的圆柱形设计得更好，可在所有轴上实现更高的刚度和固有频率。与圆柱形相比，矩形在传感器方向和设备连接方面提供了更多选择。有关示例和模拟结果，请参阅文章。
10base-t1l传感器原型采用三轴1 khz带宽mems传感器（adxl357）设计，设计目标是创建支持大于1 khz的外壳。如图7所示，创建了一个矩形外壳设计，并使用ansys进行仿真。表4显示了仿真结果，固有频率和模式参与因子表明，所有三个轴的带宽至少为6 khz。该设计在 x 轴表面末端使用 m6 凸耳。使用这些连接点将确保牢固的设备连接和最佳的模态性能。
图7.用于adxl357三轴mems传感器和adin1110 10base-t1l mac-phy电路的外壳。
模式 频率，赫兹 轴 强积金
1 11663 x 6080
2 6632 y 0.057
3 30,727 y 0.187
4 6080 z 0.370
选择合适的mems振动传感器
选择加速度计时需要注意哪些规格？
虽然没有对振动传感器进行分类的官方标准，但可以使用其有效分辨率将它们分类，如图8所示。可以清楚地看到，与压电传感器相比，mems加速度计覆盖的面积很小。mems加速度计专为许多特定应用而设计，例如安全气囊碰撞检测、车辆侧翻检测、机械臂定位、平台稳定、精密倾斜检测等等。mems制造商仅在几年前开发出足以与iepe振动传感器竞争的传感器，因此，该技术仍处于起步阶段，因此有线cbm安装的覆盖范围较小，如图8左侧所示。然而，随着越来越多的mems供应商投资于状态监测振动传感器解决方案，预计未来几年这一数字将增长。
图8.用于有线应用的mems和压电传感器系列。
mems传感器具有一些优势，这些优势在振动传感器领域被证明是颠覆性的。例如，市场上绝大多数mems传感器具有三轴、集成adc、数字滤波、出色的线性度、低成本和低重量，与压电或iepe/icp传感器相比，它们非常小，如表5所示。虽然iepe传感器将继续用于最关键的资产，但维护和设施经理正在寻求从不太重要的资产中提取更深入的见解，以转向提高生产力，效率和可持续性 - 即最大限度地减少计划外停机时间并延长资产的使用寿命。在这种情况下，无论是mems还是iepe，都将使用成本和性能更低的传感器，这就提出了一个问题：具有卓越噪声和带宽性能的单轴iepe传感器是否总是比具有三轴的mems传感器更好的选择？
模式 adxl357 adxl1002 压电传感器 （603c01）
尺寸（毫米） 6 × 5.6 × 2.2 5 × 5 × 1.8 18 × 42.2
集成模数转换器 是的 不 不
哈哈轴
3 1 1
电源 （v） 2.25 到 3.6 3.3 到 5.25 18 到 28
接口 spi 模拟 模拟
重量（g） <0.2 <0.2 51
噪音（微克/√赫兹) 80 25 350
带宽（千赫） 1 11 10
电流消耗 200 微安 1毫安 2 ma 至 20 ma
3轴mems传感器与iepe振动传感器相比如何？
如表6所示，已经对三轴mems加速度计的有效性进行了广泛的测试，以绝对的置信度识别高性能单轴甚至双轴iepe振动传感器无法检测到的特定故障。1单轴振动传感器无法绝对确定地检测到弯曲轴、偏心转子、轴承问题和翘起转子等故障，除非在安装前努力了解特定的异常情况。当只有一个单轴振动传感器可用时，将需要其他cbm传感器，如电机电流或磁场，以更可靠地识别某些故障。
具有卓越噪声和带宽的单轴传感器与三轴传感之间存在权衡，这些额外的轴可以缓解安装位置挑战，因为将检测到所有垂直、水平和轴向振动，并提供对资产操作的更深入见解。根据表6中的结果，如果不重新定向和重新测试，单轴传感器就无法可靠地识别大多数故障，即使它比三轴mems传感器具有更好的噪声和带宽。
故障 频谱特征 可通过 1 轴检测 笔记
可通过 z 轴（垂直）检测 可通过 y 轴（水平）检测 可通过 x 轴（轴向）检测 可靠的单轴检测
不平衡负载 基本 （1×）
基本 （1×） 9×、10× 是的 额外的轴为测量提供了更大的信心
偏心转子 基本 （1×） 3× 不 轴向特征清楚地指示转子偏心
翘起转子
基本 （1×） 3×， 4×， 5×， 6×， 7×， 8×， 9×， 10× 不 高谐波时的轴向特征可清楚地识别翘起的转子
弯曲轴 基本 （1×） 基本 （1×） 3× 可能 轴向特征清楚地指示弯曲的轴
北京交通便利组织 3× （北京交通便利化）， 4× 3× （北京交通便利化）， 4× 是的 x 轴上的单轴测量会错过这一点
bpfi 基本 （1×） 5× （bpfi） 不 在 x 轴或 z 轴上测量会错过此故障
还有哪些其他振动传感器可用，它们如何比较？
那么，3轴mems传感器如何适应振动传感器频谱呢？图9显示了目前可用的mems振动传感器的概述，基于其噪声与带宽的关系。iepe传感器仅供参考，并帮助突出显示mems传感器在振动传感器频谱中的确切位置。很明显，不同类型的mems传感器自然而然地形成了集群，我们可以用来分配潜在的用例，例如，成本最低的传感器（mems三轴）将用于较低的关键性资产，而最高成本的传感器（iepe）将用于最高关键性的资产。单轴iepe传感器已经使用了几十年，涵盖了从低关键性到高关键性应用的所有领域，并且在成本和性能方面非常普遍，如图9所示。很明显，三轴iepe传感器具有与三轴mems传感器相似的性能，但成本要高得多。对于低关键性资产集群，由于成本高，使用三轴iepe传感器是不可行的，但这进一步突出了三轴mems传感器在噪声和带宽方面可以与一些三轴iepe传感器竞争的观点。
图9.三轴mems和iepe以及单轴mems和iepe的振动传感器的比较。
哪种传感器最适合可部署的单对以太网调节监控传感器，为什么？
可部署的单对以太网状态监测传感器设计用于容纳振动传感器，但系统架构允许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进行最小的更改。振动传感器必须很小，数字输出（spi或i2c）具有高集成度（放大器、adc），以满足可部署的单对以太网状态监测传感器的尺寸和性能要求。根据表5所示的规格选择3轴数字输出mems加速度计。
选择低噪声三轴传感器而不是低噪声、带宽更宽的单轴mems传感器，以提供更多的诊断见解（3轴与1轴），并缓解与单轴传感器相关的安装挑战。下一个关键考虑因素是功耗，与其他传感器相比，adxl357在ip6x模块内产生的自发热效应较小，因为adxl357不需要adc或运算放大器，从而减小了整体解决方案尺寸和bom成本。减小的解决方案尺寸可确保较小的机械外壳和良好的模态频率性能，如模态分析部分所述。
更高性能、单轴、宽带宽（11 khz至23 khz）mems传感器，如具有高达14位分辨率的adxl100x系列，可以无缝集成，但这可能需要外部adc来保持性能，因为大多数低功耗微控制器仅集成12位adc。然而，使用合适的微控制器，可以使用过采样和抽取将分辨率提高到12位以上，这意味着单轴模拟输出mems加速度计可以毫不费力地集成到现有系统中。请注意，如果您需要优于13位的分辨率，则必须使用模拟输出mems或iepe传感器，如表7所示。
传感器 范围 （±g) 峰峰值输出范围 （v） 通道数 线性度 （±%fsr） 静电放电（微克/√赫兹) 1/f 角落 （赫兹） 平坦带宽 （千赫） 噪声平坦带宽（微克有效值） dr @ 平坦带宽 （db） enob at flat bw 谐振频率 （千赫）
adxl1002 50
4 1 0.1 25 0.1 11 2622.02 82.60 13.43 21
adxl1004 500 4 1 0.25 125 0.1 24 19364.92 85.23 13.87 45
adxl356b
40 1.6 3 ;0.1 110 0.1 1 3478.51 78.20 12.70 5.5
电路板 621b40 500 10 1 1 10 1000 30 1732.05 104.95 17.14 85
电路板 352c04 500 10 1 1 4 400 10 400.00 118.93 19.46 50
电路板 333b52 5 10 1 1 0.4 1000 3 21.91 98.50 16.07 20
微控制器和软件架构选择
图 10 显示了一个简单的基于振动传感器的 mqtt 架构，图 11 显示了与 pc 或 raspberry pi 接口的可部署单对以太网调理监控传感器的高级框图。消息队列遥测传输 （mqtt） 是物联网的轻量级消息传递协议，允许网络客户端在低带宽环境中分发遥测数据。mqtt 被认为是轻量级的，因为它的消息具有较小的代码占用空间。发布和订阅消息传输非常适合以最小的代码占用量和网络带宽连接远程设备。mqtt 广泛用于石油和天然气、汽车、电信和制造业等众多行业。发布者发送消息，订阅者接收他们感兴趣的消息。代理将消息从发布者传递到订阅者。一些 mqtt 代理处理数百万个并发连接的 mqtt 客户端，这是吸引人的功能之一，许多传感器可以连接到一个 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只能与 mqtt 代理通信的 mqtt 客户端。mqtt 客户端可以是任何设备，如 arduino、raspberry pi、esp32，也可以是 node-red 或 mqttfx 等应用程序。
图 10.mqtt 简单的发布/订阅架构。
图 11.可部署的单对以太网状态监测传感器框图。
图 11 中的前四个模块由传感器、微控制器、mac-phy 和媒体转换器组成。该传感器是数字输出三轴mems传感器，可以检测振动。任何带有spi接口的标准低功耗微控制器，如max78000或max32670，都可用于从adxl357读取数据。max78000具有额外的优势，具有内置卷积神经网络（cnn）硬件加速器，可提供超低功耗边缘ai处理能力。
测量的振动数据被放入 mqtt 主题中，以便再次通过 spi 传输到 mac-phy。低成本cortex -m4微控制器可用于通过spi读取/写入adin1110 mac-phy，以实现不同的模式和配置，例如podl on或off、t1l专用节点、主节点或子节点、1 v或2.4 v。adin1110将mqtt数据主题转换为10base-t1l格式，并传输超过300 m的ip67防护等级电缆，具有先进的屏蔽功能，可达到1700 m以上的鲁棒性。然后，媒体转换器将数据从 10base-t1l 转换为 10base-t 格式，以便 pc 或 raspberry pi 可以解释数据，然后处理和显示数据。®
adin1110 10碱基-t1l 物理
adin1110是一款面向工业应用的可靠、单端口、低功耗10base-t1l以太网mac-phy收发器。adin1110集成mac接口，可通过spi与各种主机控制器直接连接。该spi通信通道支持使用低功耗处理器，无需集成mac，从而提供最低的整体系统级功耗。adin1110专为楼宇、工厂和过程自动化中部署的边缘节点传感器和现场仪表而设计。该器件采用1.8 v或3.3 v单电源轨供电，支持1.0 v和2.4 v幅度工作模式以及外部端接电阻，支持在本质安全环境中使用。可编程发射电平、外部端接电阻以及独立的接收和发送引脚使adin1110适合本质安全应用。
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融合的it/ot网络。为了实现这一愿景，存在系统工程挑战，因为其中一些传感器的功率和空间有限。低功耗和超低功耗微控制器市场不断增长，这些微控制器具有重要的内部存储器功能，适用于传感器和执行器应用。但这些处理器中的大多数都有一个共同点 - 没有集成的以太网mac，它们不支持mii，rmii或rgmii媒体独立（以太网）接口。传统的phy无法连接到这些处理器/微控制器。
可部署的单对以太网状态监测传感器的固件实现如表 8 所示。
内存类型 描述 大小 （kb）
总反渗透率（常数） 代码 + ro 数据 110
总内存大小 rw 数据 + 零初始化数据 121
总 rom 尺寸 代码 + ro 数据 + rw 数据 110
大多数具有足够存储器的低成本cortex-m4微控制器都适合此应用。spe状态监测传感器软件架构如图13所示，它由多个元件组成，相应的框图如图12所示。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，这是 tcp/ip 协议套件的小型独立开源实现，旨在减少 ram 使用量，同时仍具有全尺寸 tcp。freertos 提供了一个开源的、文档非常完善且受支持的操作系统，可以轻松添加新的功能代码块。lwip tcp/ip 实现的目的是提供全面的传输控制协议 （tcp），同时减少资源使用，使 lwip 非常适合用于具有 10 kb 可用 ram 和大约 40 kb 代码 rom 的嵌入式系统。还有一些附加应用程序，例如用于提供 mqtt 功能的 mqtt 客户端。mqtt 块配置为发布/订阅模式，提供简化、高效的解决方案。adin1110驱动器在与lwip堆栈通信之前需要与地址解析协议（arp）模块通信，以确保微控制器与adin1110之间的无缝网络通信。
图 12.软件架构。
图 13.传感器框图和每个模块的代码开发要求。
pymqtt是一个基于python的库扩展，用于将mqtt客户端集成到web应用程序中。它用于订阅spe传感器，提取数据并将其显示在gui中，因此，它有效地充当paho-mqtt包的包装器，以简化mqtt与python应用程序的集成。
adin2111： 集成10base-t1l phy的低复杂度、2端口以太网交换机
adin2111采用长距离10base-t1l技术为工厂/建筑物中的每个节点添加以太网连接，从而简化网络管理。adin2111支持低功耗边缘节点设计，并通过spi与各种主机控制器接口。adin2111等双端换机可用于在线路或环形拓扑中的受限边缘节点之间以菊花链方式连接数据。线形和环形拓扑是工业部署中的主要架构。每个器件都需要两个输入和输出端口，因此每个器件都需要一个开关和两个adin2111提供的10base-t1l phy。
图 14.adin2111功能框图
adin2111具有一套诊断功能，可以监控链路质量并检测故障，从而缩短调试时间和系统停机时间。它可以在 1 km 的电缆上以 2% 的精度实现实时故障检测和故障定位检测，有助于减少停机时间和调试时间。adin2111支持将传感器、执行器和控制器网络连接成一条线或环形网络 拓扑，同时利用现有部署的单双绞线布线基础设施。
数据采集和图形用户界面
振动数据可以使用基于 python 的 gui 在时域和频域中可视化，如图 15 所示。python gui 是一个可执行文件，因此除非您要修改它，否则不需要进行代码开发。
图 15.spe 传感器测量难以察觉的 20 hz 振动。
为了验证spe传感器系统的性能，进行了一系列测试。不平衡负载测试是测试振动传感器性能的可靠方法，因为时域和频域特征很容易识别。图16显示了左侧的时域数据和右侧的频域数据。在 y 轴和 z 轴上，有一个清晰的正弦信号，与电机转速或基本转速下的不平衡负载测量的振动相关。这是因为 y 轴和 z 轴的位置是为了测量不平衡电机的最大振动响应。x 轴确实测量一些重复的数据，但它不是正弦的，并且振幅比 y 轴和 z 轴低一个数量级或更多。然而，在频域图上，x轴清楚地显示出不平衡特征，y和z也是如此，但幅度要高得多。
图 16.spe 传感器检测来自 9 vdc 电机的不平衡负载，转子上有偏心重物。
为了研究系统的噪声性能，使用了另一项测试，将音调发生器放置在与spe传感器相同的底板上。人手无法察觉振动，但adxl357与10base-t1l通信流水线相结合，可以可靠地检测所有三个轴上的异常。
图 17.750 hz 振动音调测量。
结论
adi公司在状态监测领域拥有深厚的专业知识，加上强大的传感器、功率器件和以太网连接产品组合，使设计人员能够在第一时间以正确的设计进入市场。adin1110单对以太网mac-phy是设计人员创建振动传感器的最佳选择，振动传感器可用于通过以太网ip寻址功能随时随地访问资产运行状况信息。
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