A Indústria 4.0 traz a promessa de inteligência na borda ao longo de grandes distâncias, e a Ethernet 10BASE-T1L está abrindo caminho para isso com seus recursos de Power over Data Line (PoDL), altas taxas de transferência de dados e compatibilidade com protocolos baseados em Ethernet.
Este artigo explica como o novo padrão de camada física Ethernet 10BASE-T1L pode ser integrado a aplicações de automação e cenários industriais para conectar controladores e interfaces de usuário a dispositivos finais, como diversos sensores e atuadores, utilizando uma interface Ethernet padrão para comunicação bidirecional.
Introdução
O 10BASE-T1L é um padrão de camada física voltado para conectividade industrial. Ele oferece taxas de transmissão de até 10 Mbps e fornecimento de energia por distâncias de até 1000 m utilizando um cabo padrão de par trançado. A baixa latência e os recursos de PoDL permitem controlar remotamente dispositivos como sensores e atuadores. Este artigo explica como implementar um sistema composto por um host remoto que controla de forma síncrona dois ou mais motores de passo, demonstrando as capacidades de comunicação em tempo real a longas distâncias.
Visão geral do sistema
Para começar, a Figura 1 apresenta um diagrama esquemático da aplicação ao nível de sistema. No lado do host, a conversão entre enlaces Ethernet padrão e 10BASE-T1L é gerenciada pelos PHYs Ethernet ADIN1100 e ADIN1200. No lado remoto, o controlador se comunica com o enlace por meio do MAC-PHY Ethernet ADIN1110, que requer apenas uma interface SPI para troca de dados e comandos.
O controle preciso e sincronizado dos movimentos é realizado utilizando os controladores e drivers para motores de passo ADI Trinamic™ TMC5160, que permitem gerar rampas de seis segmentos para posicionamento sem exigir cálculos por parte do controlador. A escolha desses componentes também reduz os requisitos do microcontrolador em termos de periféricos utilizados, capacidade de processamento e tamanho do código, permitindo o uso de uma ampla variedade de produtos comerciais disponíveis.
Além disso, até um limite predefinido de consumo de energia, todo o subsistema remoto pode ser alimentado diretamente pela linha de dados, fazendo com que apenas a placa conversora de mídia necessite de uma fonte de alimentação local.
Hardware do sistema
O sistema é composto por quatro placas diferentes:
- A placa EVAL-ADIN1100 incorpora um ADIN1200, PHY 10BASE-T/100BASE-T, utilizado em conjunto com o PHY ADIN1100 10BASE-T1L para converter mensagens entre os dois padrões físicos. Ela pode ser configurada para diferentes modos de operação. Neste projeto, foi utilizado o Standard Mode 15 (media converter). A EVAL-ADIN1100 também possui um microcontrolador integrado responsável pela configuração básica necessária para a conversão de mídia e pela leitura de informações de diagnóstico. Entretanto, ela não interage com as mensagens transmitidas e recebidas, sendo totalmente transparente para a comunicação.
- A EVAL-ADIN1110 é o núcleo do controlador dos dispositivos remotos. O MAC-PHY 10BASE-T1L ADIN1110 recebe dados pelo enlace 10BASE-T1L e os transfere para um microcontrolador Cortex®-M4 embarcado por meio de uma interface SPI para processamento. A placa também disponibiliza conectores compatíveis com Arduino Uno, permitindo a instalação de shields para adicionar funcionalidades.
- O shield TMC5160 é uma placa desenvolvida sob medida baseada no formato Arduino Shield. Cada shield suporta até duas placas TMC5160 SilentStepStick, sendo possível empilhar múltiplos shields para aumentar a quantidade máxima de motores controlados. Todos os drivers compartilham os sinais SPI de clock e dados, enquanto as linhas de chip select permanecem independentes.Nessa configuração, são possíveis dois modos de comunicação:
- Quando as linhas de chip select são acionadas individualmente, o microcontrolador se comunica com um único controlador, por exemplo, para configurar parâmetros de movimento.
- Quando várias linhas de chip select são acionadas simultaneamente, todos os drivers selecionados recebem o mesmo comando ao mesmo tempo. Esse modo é utilizado principalmente para sincronização de movimento.
A placa também fornece capacitância adicional para os módulos StepStick, reduzindo picos de corrente durante a partida do motor e suavizando o perfil de corrente durante a operação normal. Isso permite utilizar PoDL para alimentar todo o sistema com até dois motores NEMA17 (na configuração padrão, a potência máxima transmitida é de 12 W em 24 V).
Além disso, a placa facilita a conexão dos motores de passo utilizando bornes de parafuso, tornando as saídas de fase dos controladores mais acessíveis.
- Duas placas EVAL-ADIN11X0EBZ, uma para o conversor de mídia e outra para a EVAL-ADIN1110EBZ, são utilizadas para adicionar recursos de PoDL ao sistema. Trata-se de um módulo plug-in que pode ser instalado nos conectores de prototipagem MDI das placas de avaliação e configurado tanto para fornecer quanto para receber energia pela linha de dados.
Software
O código-fonte está disponível para download: Remote Motion Control with 10Base-T1L Ethernet – Code.
Para manter o código enxuto e minimizar a sobrecarga de comunicação, nenhum protocolo de comunicação padrão foi implementado acima da camada de enlace. Todas as mensagens são trocadas utilizando o campo de carga útil (payload) dos quadros Ethernet em um formato fixo predefinido.
Os dados são organizados em segmentos de 46 bytes, compostos por:
- cabeçalho fixo de 2 bytes;
- campo de dados de 44 bytes.
O cabeçalho inclui:
- um campo de tipo de dispositivo de 8 bits, que determina como os dados recebidos serão processados;
- um campo de ID do dispositivo de 8 bits, que permite selecionar um dispositivo físico específico quando existirem vários dispositivos do mesmo tipo.
A interface do host foi desenvolvida em Python para garantir compatibilidade tanto com Windows quanto com Linux. A comunicação Ethernet é realizada utilizando o módulo Scapy, que permite criar, enviar, receber e manipular pacotes em todas as camadas da pilha, incluindo a camada de enlace Ethernet.
Cada tipo de dispositivo definido no protocolo possui uma classe correspondente contendo propriedades para armazenar os dados a serem trocados e um conjunto de métodos para modificá-los sem necessidade de editar diretamente as variáveis.
Por exemplo, para alterar o sentido do movimento no modo de velocidade do controlador de movimento, existem os métodos setDirectionCW() e setDirectionCCW(), em vez de atribuir manualmente os valores 0 ou 1 ao sinalizador de direção.
Cada classe também inclui um método packSegment(), responsável por montar e retornar o segmento correspondente ao dispositivo controlado na forma de um vetor de bytes conforme o formato definido para aquele tipo de dispositivo.
O firmware foi desenvolvido em C utilizando o ambiente ChibiOS, que inclui, entre outras ferramentas, um Sistema Operacional de Tempo Real (RTOS), uma camada de abstração de hardware (HAL) e drivers de periféricos, permitindo portar facilmente o código entre microcontroladores semelhantes.
O projeto é baseado em três módulos personalizados:
- ADIN1110.c implementa o driver responsável pela troca de dados e comandos com o ADIN1110 através da interface SPI. Inclui funções de baixo nível para leitura e escrita de registradores, funções de nível superior para envio e recepção de quadros Ethernet e a função utilizada para estabelecer comunicação entre transceptores 10BASE-T1L. O pino de indicação de novos quadros é tratado por interrupção para minimizar a latência.
- TMC5160.c implementa todas as funções necessárias para controlar o controlador de movimento TMC5160, configurado para operar no modo completo de controle de movimento. São implementados tanto os modos de velocidade constante quanto de controle de posição, permitindo posicionamento preciso e suave por meio de rampas de seis segmentos. A comunicação com múltiplos controladores é realizada através de um único barramento SPI com linhas independentes de chip select. O módulo também fornece funções e definições de tipos para facilitar a sincronização de movimento.
- Devices.c atua como interface entre os dados recebidos pelo enlace T1L e os dispositivos físicos conectados ao controlador. Inclui estruturas semelhantes às utilizadas na interface do host e funções responsáveis por atualizá-las sempre que um novo quadro válido é recebido. Esse módulo também determina quais ações devem ser executadas após a atualização de cada estrutura, por exemplo, identificando qual controlador físico corresponde aos comandos recebidos em um determinado endereço de dispositivo.
Destaques e validações do sistema
Este projeto demonstra como o novo padrão de camada física Ethernet 10BASE-T1L pode ser integrado a aplicações de automação e cenários industriais para conectar controladores e interfaces de usuário a dispositivos finais, como diversos sensores e atuadores.
A aplicação é voltada para o controle remoto em tempo real de múltiplos motores de passo, amplamente utilizados na indústria em tarefas de automação de baixa potência, além de robôs leves e máquinas CNC, como impressoras 3D de bancada, fresadoras compactas e outros equipamentos cartesianos.
Entretanto, seus casos de uso podem ser estendidos para diversos outros tipos de atuadores e dispositivos controlados remotamente.
As principais vantagens em relação às interfaces atualmente utilizadas para aplicações semelhantes são:
- Cabeamento simplificado, exigindo apenas um único cabo de par trançado. A possibilidade de transmitir energia pela linha de dados permite alimentar diretamente dispositivos de baixa potência, como sensores, reduzindo ainda mais a quantidade de cabos e conectores necessários, bem como a complexidade, o custo e o peso do sistema.
- Alimentação utilizando o padrão PoDL, que emprega tensão contínua (DC) sobreposta às linhas de dados para fornecer energia aos dispositivos conectados à rede. Esse acoplamento pode ser implementado utilizando apenas componentes passivos e, após a filtragem da tensão no lado receptor, a alimentação pode ser utilizada diretamente pelo dispositivo ou por um conversor DC-DC, sem necessidade de retificação. Com o dimensionamento adequado dos componentes, é possível obter elevada eficiência. Neste projeto, utilizando os componentes padrão das placas de avaliação, foi alcançada uma eficiência global de aproximadamente 93% (alimentação de 24 V e corrente total de carga de 200 mA). Entretanto, ainda existe amplo espaço para melhorias, já que a maior parte das perdas decorre das quedas resistivas nos componentes passivos.
- Versatilidade, podendo ser utilizada tanto para conectividade de última milha quanto para dispositivos finais. Os dispositivos 10BASE-T1L da Analog Devices foram testados em distâncias de até 1,7 km. Também permitem ligação em cadeia (daisy-chain) com baixo impacto na complexidade do sistema. Por exemplo, utilizando o switch de baixa complexidade ADIN2111 com duas portas, é possível desenvolver dispositivos com capacidade de ligação em cadeia, tornando a solução adequada também para redes de dispositivos finais.
- Facilidade de integração com equipamentos existentes que já possuem controladores Ethernet, incluindo computadores pessoais e notebooks. Os quadros seguem o padrão Ethernet e qualquer protocolo compatível pode ser implementado sobre eles. Assim, apenas um conversor de mídia é necessário para interligação com redes Ethernet convencionais. A placa EVAL-ADIN1100 utilizada neste projeto pode servir como projeto de referência para um conversor de mídia transparente, exigindo apenas dois PHYs Ethernet e, opcionalmente, um microcontrolador para configuração e depuração.
- Alta taxa de transmissão, atingindo até 10 Mbps em full-duplex. Combinada com a topologia em cadeia utilizada pelos protocolos Ethernet industriais, essa característica permite sua utilização em aplicações em tempo real que exigem latência determinística.
- Isolação entre o transceptor e o meio físico, que pode ser obtida por acoplamento capacitivo ou magnético, dependendo dos requisitos de segurança e robustez da aplicação.
Diversas medições foram realizadas para avaliar o desempenho do sistema.
Todos os periféricos utilizados para comunicação com o transceptor ADIN1110 e os controladores TMC5160 foram configurados para operar na maior velocidade possível permitida pela configuração padrão do hardware.
Considerando o clock de 80 MHz do microcontrolador, as interfaces SPI foram configuradas para:
- 2,5 MHz para os controladores de movimento;
- 20 MHz para o transceptor ADIN1110.
No caso do TMC5160, ajustando a configuração do clock do microcontrolador e fornecendo um clock externo ao CI, a frequência SPI pode ser aumentada para até 8 MHz. Para o ADIN1110, o limite especificado em datasheet é de 25 MHz.
Em relação à latência, o tempo total entre uma solicitação de dados e a recepção do quadro de resposta foi de aproximadamente 4 ms (média de 500 amostras, medida no Wireshark pela diferença entre os timestamps das requisições e respectivas respostas).
Também foram realizadas análises para identificar as principais causas dessa latência.
Os resultados mostraram que o maior fator é a função de atraso fornecida pelo RTOS, cuja resolução mínima é de 1 ms. Essa função é utilizada para estabelecer o intervalo entre operações de escrita e leitura do TMC5160, embora o atraso realmente necessário seja da ordem de dezenas de nanossegundos. Esse comportamento pode ser melhorado implementando uma função de atraso baseada em temporizador, capaz de fornecer intervalos significativamente menores.
A segunda principal causa da latência é a função de recepção de quadros do Scapy, que exige aproximadamente 3 ms de preparação antes de iniciar a captura. Em aplicações reais, esse problema pode ser minimizado implementando a interface diretamente sobre os drivers da placa de rede do sistema operacional, em vez de utilizar ferramentas de terceiros como o Scapy. Contudo, isso reduz a portabilidade entre sistemas operacionais e aumenta a complexidade do código.
Os tempos precisos de execução do callback implementado no microcontrolador foram medidos alternando um GPIO e medindo o tempo em nível alto com um osciloscópio. O tempo medido inclui as funções responsáveis pela leitura e interpretação dos quadros recebidos e pelo envio dos comandos aos controladores de movimento.
| Comando | Tempo de execução (ms) | Tempo acumulado de atraso (ms) | Tempo ideal de execução (ms) |
| Movimento sincronizado, dois motores (×24 acessos aos registradores do TMC5160) | 24.058 | 24.000 | 0.058 |
| Solicitação de dados do motor (×3 acessos ao TMC5160) | 3.109 | 3.000 | 0.109 |
| Solicitação de dados fictícios (sem interação com o TMC5160) | 0.080 | 0 | 0.080 |
Um segundo conjunto de medições foi realizado para avaliar as perdas de potência ao longo do caminho de transmissão utilizando PoDL para alimentar os dispositivos remotos.
Os testes foram conduzidos substituindo o shield do controlador de movimento por uma carga eletrônica configurada com correntes entre 0,1 A e 0,5 A, em incrementos de 100 mA, com o objetivo de identificar quais componentes mais contribuíam para as perdas de potência e como aprimorar o projeto para suportar correntes maiores.
| Corrente (A) | Potência de entrada (W) | Potência de saída (W) | Eficiência |
| 0.109 | 2.61 | 2.47 | 0.95 |
| 0.200 | 4.70 | 4.45 | 0.93 |
| 0.308 | 7.37 | 6.70 | 0.91 |
| 0.399 | 9.54 | 8.51 | 0.89 |
| 0.502 | 12.00 | 10.45 | 0.87 |
Os resultados mostram que uma parcela significativa das perdas é causada pela ponte retificadora juntamente com o diodo Schottky D2, ambos utilizados para proteção contra inversão de polaridade.
Esses componentes podem ser substituídos por um circuito equivalente baseado em MOSFETs e um controlador de diodo ideal, aumentando a eficiência sem perder essa proteção.
Em correntes mais elevadas, a resistência DC dos indutores acoplados utilizados na filtragem da alimentação de entrada e saída passa a ser o principal fator de perda. Portanto, para ampliar a capacidade de corrente do sistema, também é necessário utilizar indutores com maior capacidade de condução.
Conclusion
A Indústria 4.0 está ampliando os limites da automação inteligente. A tecnologia ADI Trinamic, utilizada em conjunto com os transceptores ADIN1100, ADIN1110 e 10BASE-T1L, permite o controle remoto de sensores e atuadores a até 1700 m de distância do controlador, sem necessidade de alimentação elétrica na borda da rede.
Com um método confiável de controle remoto, motores de passo podem ser controlados facilmente em tempo real a longas distâncias, sem comprometer o desempenho nem a velocidade.
As soluções de sistema estão abrindo caminho para uma transformação industrial que promete tempos de resposta sem precedentes aliados ao máximo desempenho.
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