隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入，邊緣計(jì)算需求的顯著增長(zhǎng)已成為當(dāng)下科技發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。特別是在數(shù)據(jù)速率方面，由于各種高端應(yīng)用的普及，如安全監(jiān)控、高清視頻傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等，對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的需求日益迫切。

邊緣對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的需求顯著增加。受這些系統(tǒng)逐漸減少且用于安全、安保和高質(zhì)量應(yīng)用中的影響，攝像頭和視頻系統(tǒng)的采用有所增加。高速數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、嵌入式 Web 服務(wù)器和監(jiān)控系統(tǒng)等其他系統(tǒng)需要及時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。此外，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增加，因此使用現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)的愿望與日俱增。以太網(wǎng)協(xié)議和安全層以及眾所周知的安裝、維護(hù)和管理流程降低了網(wǎng)絡(luò)的總體擁有成本 (TCO)，提高了投資回報(bào)率 (ROI)。

工業(yè)應(yīng)用重點(diǎn)關(guān)注 10 Mbps 網(wǎng)速，因?yàn)檫@個(gè)速度應(yīng)該足以達(dá)到大多數(shù)現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍。電感及變壓器供應(yīng)商提供多種電感器系列，廣泛用于 10Base-T1L 應(yīng)用，包括共模扼流圈 (CMC)、隔離電感器（隔離耦合電感器）和差模電感器 (DMI)。

定義和標(biāo)準(zhǔn)

在工業(yè)應(yīng)用中工業(yè)以太網(wǎng)很容易與普通以太網(wǎng)混淆，有時(shí)被稱為單對(duì)以太網(wǎng) (SPE)。這種架構(gòu)源于傳統(tǒng)局域網(wǎng)應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)，其中使用兩對(duì)或四對(duì)雙絞線以 100 Mbps（兆位/秒）或 1000 Mbps（兆位/秒）的速度傳輸數(shù)據(jù)。SPE 僅使用一對(duì)雙絞線，用于 10 Mbps 至 10 Gbps 的通信速度，每根電纜都遵循專用標(biāo)準(zhǔn)（表 1）。

表 2 顯示了符合 IEEE802.3cg 表 104-1 和 IEEE802.3bu 表 104-1a 的不同功率等級(jí)。規(guī)定最小功率為 10 級(jí)，電源接口處[敏感詞]電流為 92mA，因此用電設(shè)備的[敏感詞]平均功率為 1.23W。規(guī)定[敏感詞]功率為 15 級(jí)，相應(yīng)的電流為 1579mA，用電設(shè)備的[敏感詞]平均可用功率為 52W。

系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用的功率需求和安全要求，可能有不同的架構(gòu)。

[敏感詞]種選項(xiàng)是僅將 10Base-T1L 用于控制與傳感或動(dòng)作元件之間的數(shù)據(jù)傳輸，因此只需要一個(gè)共模扼流圈 (CMC)（圖 1）。

第二種選項(xiàng)包括需要共模扼流圈 (CMC) 和差模電感器 (DMI) 的功率傳輸。差模電感器可以根據(jù)所需的功率水平或傳輸?shù)碾娏鬟M(jìn)行選擇，這將為 DMI 帶來(lái)多種選擇。對(duì)于更大的電流，必須使用更大的電感器，在施加更小電流的傳感或動(dòng)作器件中，更低高度和更小尺寸的電感器可能是[敏感詞]選擇（圖 2）。

第三種選項(xiàng)適用于對(duì)安全至關(guān)重要且需要電流隔離的區(qū)域。對(duì)于這些環(huán)境，除了 CMC 和 DMI 外，還使用了隔離變壓器或耦合電感器，以防止不必要的電流在兩個(gè)器件之間流動(dòng)（圖 3）。

實(shí)際上，上述所有選項(xiàng)都需要，圖 4 顯示了一個(gè)從頂部開始的實(shí)施示例，系統(tǒng)安裝在控制室中。通常不需要隔離，但會(huì)使用共模扼流圈，也可能會(huì)使用差模電感器。由于會(huì)連接到主干服務(wù)，有時(shí)還會(huì)連接到云，因此使用了多種速度級(jí)別（高達(dá) 1 Gbps）和技術(shù)（例如 10Base-T1S、100Base-T1、100Base-TX、1000Base-T）。

下一個(gè)級(jí)別是連接不同場(chǎng)開關(guān)的近場(chǎng)。對(duì)于這種應(yīng)用，將使用長(zhǎng)度為幾百米至 1000 米的電纜，必須進(jìn)行隔離，需要共模濾波器以及用于大功率電源的 DMI。在最后一段，實(shí)現(xiàn)了從場(chǎng)開關(guān)到傳感器和執(zhí)行器的連接。要求與上一個(gè)級(jí)別相似，但負(fù)載中使用的 DMI 尺寸可能更小，因?yàn)槊總€(gè)器件的功耗通常在 300 mA 范圍內(nèi)。

電路圖 附加組件

有幾個(gè)組件對(duì)減少可能的靜電放電脈沖的影響非常有用。雙向 TVS 二極管具有低容量的優(yōu)勢(shì)，因此可以用于高速應(yīng)用。此外，它們速度很快，增加了對(duì)高壓事件的響應(yīng)時(shí)間。
電容器用于防止電流流經(jīng)隔離耦合電感器的一個(gè)線圈，從而減少不必要的功率損耗。此外，還增加了額外的隔離，以確保能夠用在安全相關(guān)的環(huán)境中。

· 功率等級(jí) 10-14 的設(shè)置

為功率等級(jí) 10 至 14 定義的電流將高達(dá)約 600 mA，對(duì)于這些情況，將應(yīng)用所謂的 PHY 側(cè)注入，這意味著電流注入，因此 DMI 將被置于 PHY 和 CMC 之間，所以 CMC 必須承受電流。

· 功率等級(jí) 15 的設(shè)置

為功率等級(jí) 15 定義的電流比任何其他等級(jí)都高，大約為 1500 mA。對(duì)于這種情況，如果使用線路側(cè)注入，這意味著功率注入，DMI 將被置于 CMC 和連接器之間。在這種情況下，CMC 可以設(shè)計(jì)得小得多，因?yàn)樗恍枰獌H通過(guò)信號(hào)傳輸?shù)墓β始纯烧９ぷ鳌?

由IEEE制定的新型單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)或10BASE-T1L物理層標(biāo)準(zhǔn)，為傳輸設(shè)備運(yùn)行狀況信息實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)(CbM)應(yīng)用提供了新的連接解決方案。SPE提供共享電源和高帶寬數(shù)據(jù)架構(gòu)，可通過(guò)低成本雙線電纜在超過(guò)1000米的距離實(shí)現(xiàn)10Mbps數(shù)據(jù)和電源的共享。

ADI公司設(shè)計(jì)了業(yè)界[敏感詞]10BASE-T1L MAC-PHY(ADIN1110)，一款集成MAC的單對(duì)以太網(wǎng)收發(fā)器，它使用簡(jiǎn)單的SPI總線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發(fā)時(shí)間。

圖1.10BASE-T1L單對(duì)以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)（振動(dòng)）傳感器原型

在本文中，將了解如何設(shè)計(jì)一款體型小巧但功能強(qiáng)大的傳感器，如圖1所示。本文將介紹：

如何設(shè)計(jì)小型共享數(shù)據(jù)和電源通信接口

如何為傳感器設(shè)計(jì)超低噪聲電源

微控制器和軟件架構(gòu)選擇

選擇合適的MEMS振動(dòng)傳感器

集成數(shù)字硬件設(shè)計(jì)和機(jī)械外殼

電腦上的數(shù)據(jù)采集UI示例

如何設(shè)計(jì)小型共享數(shù)據(jù)和電源通信接口

什么是PoDL？

電源和數(shù)據(jù)通過(guò)電感電容網(wǎng)絡(luò)分布在單對(duì)雙絞線上，具體如圖2所示。高頻數(shù)據(jù)通過(guò)串聯(lián)電容與數(shù)據(jù)線路耦合，同時(shí)保護(hù)ADIN1100 10BASE-T1L PHY免受直流母線電壓影響，如圖2(a)所示。圖2所示為通過(guò)連接至數(shù)據(jù)線路的耦合電感連接到PSE（供電設(shè)備）控制器的電源。如圖2(b)所示，24VDC電源對(duì)交流數(shù)據(jù)總線實(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(jié)點(diǎn)上的耦合電感從線路中提取電源。

圖2.共享電源和數(shù)據(jù)線(PoDL)的基本原理

為防止極性電纜安裝錯(cuò)誤（例如，將PSE PHY的24VDC錯(cuò)接到PD PHY的0VDC），建議使用橋式整流二極管。為了確保EMC穩(wěn)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(shè)計(jì)體積較大，還可以使用其他EMC元件（例如在信號(hào)線上配置高壓電容）。

使用所有這些元件設(shè)計(jì)小型PoDL電路可能并不那么簡(jiǎn)單，但幸運(yùn)的是，大多數(shù)供應(yīng)商都針對(duì)整流二極管、TVS二極管和無(wú)源元件提供具有尺寸優(yōu)勢(shì)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(hào)失真。建議耦合電感和電容分別為220μH和220nF，但在仿真或測(cè)試中可以采用更大的值以留出設(shè)計(jì)裕量。表1列出了可用于傳感器設(shè)計(jì)的一系列小尺寸元件。

表1.適用于小型傳感器設(shè)計(jì)PoDL接口的元件

如何設(shè)計(jì)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(wěn)定性和容錯(cuò)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(zhuǎn)換。這種共模噪聲會(huì)降低信號(hào)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(hù)設(shè)計(jì)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?yàn)閭鞲衅魈峁┳銐虻墓β省?

耦合電感的額定電流需要滿足或超過(guò)遠(yuǎn)程供電MEMS傳感器節(jié)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(jié)點(diǎn)的要求。由于額定電流要求相對(duì)較低，因此可以減小電感尺寸。表2顯示，4.8mm × 4.8mm LPD5030-224MRB是滿足10BASE-T1L鏈路要求的最小元件。

表2.功率電感——對(duì)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(biāo)準(zhǔn)中概述了PHY要滿足的電氣規(guī)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(hào)下降（衰減）。PoDL電路會(huì)對(duì)通信通道產(chǎn)生影響，其中回波損耗和信號(hào)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(hào)反射。回波損耗以分貝為單位，對(duì)于10BASE-T1L中采用的高數(shù)據(jù)速率或長(zhǎng)電纜距離(1700m)通信尤為重要。圖3（基于Graber1的工作）顯示了單對(duì)以太網(wǎng)(SPE) 10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)(10SPE)物理層或MDI的LTspice?仿真電路。該仿真電路針對(duì)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(hào)耦合電容、功率耦合電感、共模扼流圈和其他EMC保護(hù)元件均進(jìn)行建模仿真。功率耦合電感標(biāo)稱值為1000μH，相當(dāng)于兩個(gè)220μH的雙繞組電感（880μH加上裕量）。對(duì)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(yīng)的蒙特卡羅仿真波形和使用LTspice添加的限值線。所選元件和容差將滿足回波損耗掩模規(guī)格。

圖3.使用LTspice蒙特卡羅函數(shù)進(jìn)行的MDI回波損耗仿真

圖4.蒙特卡羅仿真波形

如何設(shè)計(jì)超低噪聲電源

有線狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器具有嚴(yán)格的抗擾度要求。對(duì)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(jiān)測(cè)，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(shù)據(jù)采集/控制器處觸發(fā)錯(cuò)誤的振動(dòng)水平。這意味著電源設(shè)計(jì)向測(cè)量電路（MEMS信號(hào)鏈）輸出的噪聲必須非常低（低輸出紋波）。MEMS傳感器的電源設(shè)計(jì)還必須具備抗干擾能力，不受共享電源和數(shù)據(jù)線上耦合噪聲的影響（高PSRR）。

要確保MEMS傳感器能夠檢測(cè)到極小的振動(dòng)，需要使用極低噪聲電源。ADXL1002MEMS加速度計(jì)的輸出電壓噪聲密度規(guī)格為25μg√Hz。在正常工作期間，MEMS電源需要滿足或超過(guò)此規(guī)格，以避免降低傳感器的性能。

有線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(zhuǎn)換器，以盡可能地降低功耗并提升傳感器的長(zhǎng)期可靠性。由于具有非理想容性負(fù)載，降壓轉(zhuǎn)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(wěn)壓器，以確保為MEMS傳感器提供只有微伏級(jí)噪聲的電源。

為10BASE-T1L傳感器原型供電

圖5顯示了數(shù)字有線MEMS傳感器的一種電源設(shè)計(jì)。其中的LT8618專為工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)，具有以下特性：

寬輸入范圍高達(dá)60V

低輸出電流100mA

效率高達(dá)90%

微型2mm × 2mm LQFN封裝

 

圖5.數(shù)字有線MEMS傳感器的電源設(shè)計(jì)

 

圖5顯示LT8618具有24V_DC輸入，可調(diào)節(jié)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(wěn)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