設(shè)計(jì)時(shí)考慮工業(yè)通信：關(guān)于子系統(tǒng)

出處：網(wǎng)絡(luò)整理發(fā)布于：2023-07-05 15:34:14

工廠車(chē)間的傳感器和顯示器往往會(huì)被忽視。數(shù)據(jù)必須從工廠車(chē)間轉(zhuǎn)移到建筑物的中心位置，或者可能穿過(guò)城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移到監(jiān)控位置。為了滿足該要求，我選擇使用有線以太網(wǎng)連接。Cat5 和 Cat6 布線通常已安裝在某個(gè)位置，可以在 LAN 中長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)，并且當(dāng)連接到 WAN 時(shí)，可以將數(shù)據(jù)移動(dòng)到世界任何地方。MQTT 協(xié)議專(zhuān)為 M2M（機(jī)器對(duì)機(jī)器）通信而設(shè)計(jì)，可以輕松建立 MQTT 代理以將數(shù)據(jù)從接口節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到接口節(jié)點(diǎn)，同時(shí)使用 TLS1.3 進(jìn)行保護(hù)。
一旦數(shù)據(jù)到達(dá) LAN 或互聯(lián)網(wǎng)中的目的地，程序員就可以捕獲數(shù)據(jù)以創(chuàng)建圖形用戶(hù)界面，有時(shí)稱(chēng)為“儀表板”，供管理人員和控制人員查看。不幸的是，隨著時(shí)間的推移，這些顯示也往往逐漸被忽視。當(dāng)前自動(dòng)化的趨勢(shì)是創(chuàng)建自動(dòng)文本、電子郵件或其他可以直接發(fā)送給工人的警報(bào)，然后如果工人沒(méi)有及時(shí)糾正錯(cuò)誤情況，則通知員工的直接主管。
這個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵部分需要我有兩根獨(dú)立的UART總線和一個(gè)以太網(wǎng)接口。對(duì)于以太網(wǎng)接口，我選擇了WizNET W5500。該高度集成的 IC 實(shí)現(xiàn)了 TCP/IP 堆棧、10/100 以太網(wǎng) MAC（媒體訪問(wèn)控制）和 PHY（物理層）。我對(duì) TCP/IP 堆棧、UDP、ARP、ICMP 等沒(méi)有太多經(jīng)驗(yàn)，而該 IC 允許我通過(guò) SPI（我熟悉的協(xié)議）使用多 8 個(gè)套接字。
我選擇MSP430FR2633作為微控制器。雖然 MSP430FR2433 也能夠控制 W5500，但我知道我會(huì)有一些未使用的 GPIO 引腳，而且我喜歡將來(lái)創(chuàng)建低成本電容式觸摸控制面板的選擇。2433不支持電容式觸摸，所以我選擇了2633。項(xiàng)目中使用的所有其他IC都支持W5500和MSP430FR2633。

系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)公共 5VDC 電源軌。5V 電源由一塊板產(chǎn)生，作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電源，然后每塊板使用兩個(gè)TLV757P LDO 將 5V 電源軌調(diào)節(jié)至 3.3V（用于模擬電路）和 3.3V（用于數(shù)字電路）。這是一塊四層板，頂層和底層用于信號(hào)，第 2 層和第 3 層分別用于 AVDD 和 GND。

電源部分原理圖

AVDD 和 DVDD 線路的布線對(duì)這個(gè) 4 層板提出了挑戰(zhàn)。選擇 AVDD（如下圖洋紅色所示）作為電源層網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檫@種布置似乎可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、更清晰的布線。DVDD 必須在第 1、2 和 4 層之間移動(dòng)，這并不理想。在每次轉(zhuǎn)換時(shí)，使用多個(gè)過(guò)孔來(lái)化阻抗。

上圖所示是物理 PCB，后面是布局的第 1-4 層。第 2 層 (AVDD) 以洋紅色顯示，DVDD以橙色顯示。
以太網(wǎng)連接
幾乎所有硬連線到 Internet 的設(shè)備都有 8P8C RJ45 插孔。脈沖變壓器要么內(nèi)置于插孔中，要么非?？拷蹇住Ｃ}沖變壓器將集成電路與電纜電隔離。隔離提供了針對(duì)直流故障情況的保護(hù)，并消除了與發(fā)射器和接收器的接地電位差異相關(guān)的問(wèn)題。該變壓器還可用作差分接收器，抑制共模噪聲，例如高功率設(shè)備產(chǎn)生并均勻耦合到兩條緊密絞合的信號(hào)線中的電磁干擾。
電路集成的兩種選擇是帶有外部脈沖變壓器的 RJ45 插孔，或帶有集成脈沖變壓器的 RJ45 插孔。集成選項(xiàng)通常稱(chēng)為“MagJack”，通常更易于使用，但價(jià)格稍貴。您只需訪問(wèn)四對(duì)電線中的兩對(duì)即可進(jìn)行 10/100 通信。另外兩對(duì)根本沒(méi)用過(guò)！當(dāng)我為這個(gè)項(xiàng)目選擇零件時(shí)，我沒(méi)有想到這個(gè)想法，并且我拒絕了幾個(gè)提議的 MagJack，因?yàn)樗鼈冎惶峁?duì)兩對(duì)電線的訪問(wèn)并且具有六針腳印 - 我需要一個(gè) 8P8C 插孔，帶有兩個(gè) LED （每個(gè) LED 都有獨(dú)立的陽(yáng)極和陰極引腳），因此我正在尋找 12 引腳或更大的引腳。糟糕！僅使用八根導(dǎo)線中的四根。這個(gè)故事的寓意是：如果你不打算使用所有八個(gè)指揮，

如下所示，R7-R10 是阻尼電阻。我根據(jù)其他參考設(shè)計(jì)估計(jì)了它們的值。它們對(duì)于防止電路中的過(guò)沖和振鈴是必要的。測(cè)試必須揭示線路是否過(guò)度/不足/嚴(yán)重阻尼，并相應(yīng)調(diào)整值。發(fā)送對(duì)通過(guò) 49.9Ω 電阻器上拉到 DVDD，中心抽頭通過(guò) 10Ω 電阻器連接到 DVDD，并通過(guò) 22nF 電容器去耦到地。接收對(duì)穿過(guò)阻尼電阻器，在那里遇到兩個(gè)電容器。根據(jù)制造商的建議，該對(duì)通過(guò)兩個(gè) 49.9Ω 電阻器連接到 0.01 ?F 去耦電容器 — 它們通過(guò)變壓器繞組的中心抽頭進(jìn)一步上拉至 DVDD。

用于我的 WizNet W5500 實(shí)施的MagJack電路。

關(guān)鍵詞：工業(yè)通信

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