FAVORITAR
FecharPlease login

Impulsione Automação Confiável Com Controle Remoto De Movimento Para Nós Inteligentes

A Indústria 4.0 traz a promessa de inteligência na borda em longas distâncias, e o Ethernet 10BASE-T1L está pavimentando o caminho 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 em cenários industriais e de automação para conectar controladores e interfaces de usuário com pontos finais, como múltiplos sensores e atuadores — tudo usando 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 dados de até 10 Mbps e fornecimento de energia em distâncias de até 1000 metros usando um cabo de par trançado padrão. Baixa latência e os recursos de PoDL permitem que dispositivos como sensores ou atuadores sejam controlados remotamente. Este artigo explica como implementar um sistema composto por um host remoto que controla de forma síncrona dois ou mais motores de passo, demonstrando assim os recursos de comunicação em tempo real à distância.

Visão Geral Do Sistema

Figura 1 – Visão geral do sistema.

Para começar, a Figura 1 mostra um esquemático da aplicação em nível de sistema. No lado do host, a conversão entre links padrão e 10BASE-T1L é gerenciada pelos PHYs Ethernet ADIN1100 e ADIN1200, enquanto, no lado remoto, o controlador se interfaceia com o link usando o MAC-PHY Ethernet ADIN1110, o qual requer apenas um periférico SPI para troca de dados e comandos.

No dia 25 de Junho de 2024, ocorrerá o “Seminário de Sistemas Embarcados e IoT 2024“, no Holiday Inn Anhembi — Parque Anhembi, São Paulo–SP.

Garanta seu ingresso

O controle preciso e sincronizado do movimento é obtido usando os controladores e drivers de motor de passo ADI Trinamic™ TMC5160, que permitem a geração de rampas de seis pontos para posicionamento sem necessitar de cálculos adicionais no controlador.

A escolha desses componentes também mantém baixos os requisitos no microcontrolador em termos de periféricos utilizados, potência de processamento e tamanho do código, permitindo o uso de uma ampla gama de produtos comercialmente disponíveis.

Além disso, até um limite de consumo de energia pré-definido, todo o subsistema remoto pode ser alimentado diretamente pela linha de dados, então a placa do conversor de mídia é o único módulo que requer uma fonte de alimentação local.

Hardware do Sistema

O sistema é composto por quatro placas diferentes:

  • A placa EVAL-ADIN1100 apresenta um ADIN1200, um PHY 10BASE-T/100BASE-T, utilizado em combinação com o PHY 10BASE-T1L ADIN1100 para traduzir mensagens de um padrão físico para o outro. Ela pode ser configurada para diferentes modos de operação. Neste projeto, o Modo Padrão 15 (conversor de mídia) é utilizado. A placa EVAL-ADIN1100 também possui um microcontrolador integrado que realiza a configuração básica necessária para a conversão de mídia, bem como para ler informações de diagnóstico. No entanto, ele não pode interagir com as mensagens enviadas e recebidas; esta placa é completamente totalmente para a comunicação.
  • O EVAL-ADIN1110 é o núcleo do controlador dos dispositivos remotos. O MAC-PHY 10BASE-T1L ADIN1110 recebe dados através da conexão 10BASE-T1L e os transfere para um microcontrolador Cortex®-M4 embarcado via interface SPI para processamento. Esta placa também possui conectores compatíveis com Arduino Uno que podem ser utilizados para instalar um shield e adicionar funcionalidades à placa.
  • O shield TMC5160 é uma placa desenvolvida sob medida com base no formato do shield Arduino. Um único shield suporta até dois módulos SilentStepStick TMC5160, e vários shields podem ser empilhados juntos para aumentar o número máximo de motores controlados. Todos os drivers compartilham o mesmo clock e sinais de dados SPI, mas as linhas de seleção de chip são mantidas independentes. Com essa configuração, dois modos de comunicação são possíveis: se as linhas de seleção de chip forem acionadas individualmente, o microcontrolador pode se comunicar com controladores individuais — por exemplo, para configurar parâmetros de movimento. Em vez disso, ao acionar várias linhas de seleção de chip simultaneamente, todos os drivers selecionados recebem o mesmo comando ao mesmo tempo. Este último modo é principalmente usado para sincronização de movimento. Esta placa também fornece uma capacitância de entrada adicional aos SilentStepSticks para reduzir os picos de corrente no início do motor e suavizar o perfil de corrente durante a operação normal. 

Isso permite o uso do PoDL para alimentar todo o sistema com no máximo dois motores NEMA17 (com a configuração padrão, a potência máxima transmitida é de 12 W a 24 V). A placa também é utilizada para facilitar a conexão com os motores de passo, utilizando terminais de parafuso para tornar os sinais de fase dos controladores mais acessíveis.

  • Duas placas EVAL-ADIN11X0EBZ, uma para o conversor de mídia e outra para o EVAL-ADIN1110EBZ, são usadas para adicionar recursos PoDL ao sistema. Esta placa é um módulo plug-in que pode ser montado nos headers de prototipagem MDI das placas de avaliação e pode ser configurado para fornecer e receber energia da linha de dados.

Figura 2 – Shield EVAL-ADIN1110, EVAL-ADIN11X0EBZ e TMC5160 montado.

Visão Geral Do Sistema

Para manter o código leve e minimizar a sobrecarga de comunicação, nenhum protocolo de comunicação padrão foi implementado acima da camada de enlace de dados. Todas as mensagens são trocadas usando o campo de carga útil (payload) dos frames Ethernet com um formato fixo pré-definido. Os dados são organizados em segmentos de 46 bytes, compostos por um cabeçalho fixo de 2 bytes e um campo de dados de 44 bytes. O cabeçalho inclui um campo de tipo de dispositivo de 8 bits, que determina como os dados recebidos são processados, juntamente com um campo de ID de dispositivo de 8 bits, que permite a seleção de um dispositivo físico individual se mais dispositivos do mesmo tipo estiverem presentes.

A interface do host é escrita em Python para garantir compatibilidade com hosts Windows e Linux. A comunicação Ethernet é gerenciada usando o módulo Scapy, que permite criar, enviar, receber e manipular pacotes em cada camada da pilha, incluindo a camada de enlace de dados Ethernet. Cada tipo de dispositivo definido no protocolo possui uma classe correspondente que inclui propriedades para armazenar os dados a serem trocados e um conjunto de métodos que podem ser usados para modificar essas propriedades, em vez de editar diretamente as variáveis.

Figura 3 – Formato do protocolo de comunicação

Figura 4 – Um fluxograma de firmware

Por exemplo, para mudar a direção do movimento no modo de velocidade para o controlador de movimento, são definidos os métodos “setDirectionCW()” e “setDirectionCCW()”, em vez de ter que atribuir manualmente valores de 0 ou 1 à flag de direção. Cada classe também inclui um método “packSegment()” que empacota e retorna o segmento correspondente ao dispositivo controlado na forma de um array de bytes de acordo com o formato predefinido para o tipo de dispositivo considerado.

O firmware é escrito em C utilizando o ambiente ChibiOS, que inclui, entre outras ferramentas, um sistema operacional em tempo real (RTOS), uma camada de abstração de hardware (HAL) e drivers de periféricos, permitindo que o código seja facilmente portado entre microcontroladores similares. O projeto é baseado em três módulos personalizados:

  • O arquivo ADIN1110.c é o driver utilizado para permitir a troca de dados e comandos com o ADIN1110 através da interface SPI. Ele inclui funções de comunicação de baixo nível para ler e escrever dados nos registradores do dispositivo, e funções de nível mais alto para enviar e receber frames Ethernet. Também inclui a função utilizada para estabelecer a comunicação entre transceptores 10BASE-T1L. O pino que notifica se novos frames estão disponíveis é lido através de interrupção para minimizar a latência.
  • O arquivo TMC5160.c implementa todas as funções necessárias para gerenciar o controlador de movimento TMC5160, configurado para operar no modo de controlador de movimento completo. Os modos de controle de velocidade constante e de posição são implementados, permitindo posicionamento suave e preciso com rampas de seis pontos. A comunicação com vários controladores de movimento é realizada através de um único barramento SPI com linhas de seleção de chip independentes. Um conjunto de funções e typedefs também é fornecido para facilitar a sincronização de movimento.
  • O arquivo Devices.c é a interface entre os dados recebidos da conexão T1L e os dispositivos físicos conectados ao controlador. Ele inclui estruturas semelhantes às definidas na interface do host e funções para atualizá-las sempre que um novo frame com dados válidos é recebido. Este módulo também é utilizado para determinar quais ações são executadas cada vez que uma estrutura é atualizada — por exemplo, qual controlador de movimento físico está relacionado com comandos recebidos em um determinado endereço de dispositivo.

DESTAQUES E VALIDAÇÕES DO SISTEMA

Este projeto tem como objetivo demonstrar como o novo padrão de camada física Ethernet 10BASE-T1L pode ser integrado em cenários de automação e industrial para conectar controladores e interfaces de usuário com endpoints, como múltiplos sensores e atuadores. Esta aplicação é direcionada ao controle remoto em tempo real de múltiplos motores de passo, amplamente utilizados na indústria para tarefas de automação de baixa potência, mas também usado em robôs leves e máquinas CNC, como impressoras 3D de mesa, fresadoras de mesa e outros tipos de traçadores cartesianos. No entanto, seus casos de uso também podem ser estendidos para outros tipos de atuadores e dispositivos controlados remotamente. Suas principais vantagens sobre interfaces já existentes utilizadas para fins semelhantes são:

  • Sistema de fiação simplificado, exigindo apenas um par trançado. A possibilidade de também fornecer energia na linha de dados permite que dispositivos de baixa potência, como sensores, sejam alimentados diretamente dessa conexão, reduzindo ainda mais o número de fios e conectores necessários, e assim diminuindo a complexidade, custo e peso do sistema geral.
  • Fornecimento de energia usando o padrão PoDL (Power over Data Line), que utiliza uma tensão contínua (CC) sobre as linhas de dados para fornecer energia a dispositivos conectados à rede.

Esse tipo de acoplamento pode ser obtido apenas usando componentes passivos, e uma vez que a tensão na extremidade receptora é filtrada, ela pode ser diretamente usada para alimentar o dispositivo ou um conversor DC-DC sem necessidade de retificação. Ao dimensionar corretamente os componentes usados para esse tipo de acoplamento, é possível alcançar um sistema de alta eficiência. Neste projeto, o uso de componentes padrão instalados nas placas de avaliação resulta em uma eficiência geral de cerca de 93% (com uma fonte de 24 V e corrente total de carga de 200 mA). No entanto, esse resultado possui uma ampla margem para melhoria — na verdade, a maioria das perdas ocorre devido a quedas resistivas dos componentes passivos ao longo do caminho de potência.

  • Versatilidade, pois pode ser usado tanto para conectividade de last-mile quanto para conectividade de endpoint. Os dispositivos 10BASE-T1L da Analog Devices foram testados para distâncias de até 1,7 km. Eles também permitem a conexão em série (daisy-chaining) com baixo impacto na complexidade do sistema. Por exemplo, ao utilizar o switch de baixa complexidade de duas portas ADIN2111, é possível projetar dispositivos que integram capacidades de daisy-chaining, tornando o link adequado também para redes de endpoint.
  • Fácil interface com equipamentos existentes que já integram um controlador Ethernet, incluindo computadores pessoais e laptops. Os frames de dados seguem o padrão de link de dados Ethernet, e todos os protocolos compatíveis com Ethernet podem ser implementados acima dele, de modo que apenas um conversor de mídia seja necessário como ponte com links Ethernet padrão. Por exemplo, a placa utilizada neste projeto, a EVAL-ADIN1100, pode ser usada como um projeto de referência para um conversor de mídia transparente, exigindo apenas dois PHYs Ethernet e um microcontrolador opcional para configuração e depuração.
  • Alta taxa de dados, alcançando até 10 Mbps, full duplex. Isso, combinado com a topologia em cadeia (daisy-chain) na qual protocolos baseados em Ethernet industrial podem ser implementados, permite seu uso em aplicações em tempo real, onde é necessária uma latência de transmissão determinística.
  • O isolamento entre o transceptor e o meio pode ser alcançado tanto por acoplamento capacitivo quanto por acoplamento magnético, dependendo dos requisitos de segurança e robustez da aplicação.

Foram realizadas várias medições no sistema para avaliar seu desempenho. Todos os periféricos utilizados para comunicar com o transceptor ADIN1110 e os controladores TMC5160 foram configurados para a máxima velocidade possível alcançável com a configuração padrão de hardware. Considerando o clock do sistema de 80 MHz do microcontrolador, a taxa de dados dos periféricos SPI foi definida para 2,5 MHz para os controladores de movimento e 20 MHz para o transceptor ADIN1110. No caso do TMC5160, ajustando a configuração do clock do microcontrolador e fornecendo um sinal de clock externo para o IC, a frequência SPI pode ser aumentada ainda mais para até 8 MHz, enquanto para o ADIN1110 o limite máximo conforme a folha de dados é de 25 MHz.

Para a latência, o tempo total entre uma solicitação de dados e a recepção do quadro de resposta foi avaliado em cerca de 4 ms (média em 500 amostras, medida com o analisador de protocolo Wireshark calculando a diferença entre os carimbos de data/hora das solicitações de dados e das respostas correspondentes). Avaliações adicionais foram realizadas para determinar quais partes do sistema são responsáveis por esse atraso.

Figura 5 – Um esquema simplificado do caminho de energia

Os resultados mostraram que a principal causa é a função de atraso fornecida pelo RTOS, que permite um atraso mínimo de 1 ms, usado para definir o intervalo entre operações de escrita e leitura para o TMC5160, enquanto o atraso necessário está na ordem de dezenas de nanossegundos. Isso poderia ser melhorado definindo uma função de atraso baseada em temporizador que permita intervalos de atraso mais curtos.

A segunda causa desse atraso é a função do Scapy utilizada para receber frames, que requer um tempo mínimo de configuração de 3 ms após ter sido chamada. Em uma aplicação do mundo real, isso pode ser melhorado desenvolvendo a interface diretamente com os drivers do adaptador de rede para o sistema operacional, em vez de usar ferramentas de terceiros como o Scapy. No entanto, as desvantagens incluem a perda de compatibilidade com diferentes sistemas operacionais e o aumento da complexidade do código.

Tempos de execução precisos para o callback implementado no microcontrolador foram medidos alternando um GPIO e medindo o período alto com um osciloscópio. O tempo de execução medido inclui funções usadas para ler e analisar os frames recebidos e para enviar comandos aos controladores de movimento.

TABELA 1. TEMPOS DE EXECUÇÃO MEDIDOS

O segundo conjunto de medições foi realizado para avaliar as perdas de energia ao longo do caminho de transmissão ao usar PoDL para fornecer energia a dispositivos remotos. Os testes foram conduzidos substituindo o shield do controlador de movimento por uma carga eletrônica ajustada em diferentes correntes, começando de 0,1 A até 0,5 A em incrementos de 100 mA, para determinar quais componentes tiveram um impacto maior nas perdas de energia e, consequentemente, como melhorar o projeto para alcançar classificações de corrente mais altas.

TABELA 2. EFICIÊNCIA DO SISTEMA

PERDAS DE ENERGIA CC

Figura 6 – Perdas de potência para cada componente passivo, em função da corrente.

Produtos Em Destaque

Controlador e driver de motor TMC5160 

O TMC5160 é um controlador e driver de alto desempenho para motores de passo, que oferece interfaces de comunicação serial.

COMPRE AGORA

EVAL-ADIN1110 e EVAL-ADIN1100EBZ

Revolucionando o Controle Remoto de Movimento na Indústria 4.0

COMPRE AGORA

CONCLUSÃO

A Indústria 4.0 está ampliando os limites da automação inteligente. A tecnologia ADI Trinamic, em conjunto com os transceptores ADIN1100, ADIN1110 e 10BASE-T1L, possibilita o controle remoto de sensores e atuadores a uma distância de até 1700 metros do seu controlador, sem a necessidade de alimentação na extremidade. Com um método confiável de controle remoto, motores de passo podem ser facilmente controlados em tempo real a distâncias maiores sem sacrificar desempenho ou velocidade. As soluções de sistemas estão abrindo caminho para uma transformação industrial que promete tempos de resposta sem precedentes, juntamente com máxima capacidade de desempenho.

Explore mais sobre os controladores e drivers de motores de passo da ADI, juntamente com os transceptores ADIN1100, ADIN1110 e 10BASE-T1L. CLIQUE AQUI

SOBRE OS AUTORES

Alessandro Leonardi é gerente de contas na Analog Devices em Milão. Ele estudou engenharia eletrônica e obteve seu bacharelado e mestrado no Politecnico di Milano. Após se formar, ele fez parte do programa de treinamento em aplicações de campo na ADI.

Giorgio Paganini está atualmente cursando engenharia eletrônica no Politecnico di Milano. Ele esteve envolvido em projetos de desenvolvimento eletrônico como parte da Dynamis PRC, a equipe Formula Student do Politecnico di Milano.

Fulvio Bagarelli ingressou na Analog Devices em 2017 como engenheiro sênior de aplicações de campo e atualmente ocupa o cargo de líder técnico de campo. Anteriormente, Fulvio trabalhou na Linear Technology (agora parte da Analog Devices), na Arrow Electronics e na STMicroelectronics. Ele possui um mestrado em engenharia eletrônica pelo Politecnico di Milano, na Itália, e possui um MBA executivo pela SDA Bocconi School of Management, também na Itália.

Download de ebook Gratuito

Baixe o ebook Newark eTECHJournal – Ediçao 8, onde você encontrará mais aplicações para automação:

Contato da Newark no Brasil

Para mais informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: [email protected] 

* Texto originalmente publicado no Newark eTECHJournal – Ediçao 8 adaptado pela Equipe Embarcados.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.
Comentários:
Notificações
Notificar
0 Comentários
Inline Feedbacks
View all comments
Home » Comunicação » Impulsione Automação Confiável Com Controle Remoto De Movimento Para Nós Inteligentes

EM DESTAQUE

WEBINARS

LEIA TAMBÉM

JUNTE-SE HOJE À COMUNIDADE EMBARCADOS

Talvez você goste:


Seminário de
Sistemas Embarcados e IoT 2024
 
Data: 25/06 | Local: Hotel Holiday Inn Anhembi, São Paulo-SP
 
GARANTA SEU INGRESSO

 
close-link