10BASE-T1L使智能现场仪表供电变得无痛

Michal Brychta和Michael Jackson

本博客说明了为什么这些设备正在突破这种传统模拟接口可实现的界限。它还建议使用10BASE-T1L工业以太网MAC-PHY来克服这些限制，并大幅提高传感器将过程信息传送给控制器的数据速率。

估算4-20mA环路供电现场仪器的功率预算

图1显示了具有HART接口的现场仪器的典型信号链（能够以高达1200 bps的速率实现数据通信）。对于20mA的最大环路电流，假设使用工业电源（通常为24V），仪器可用的总功率理论上为480mW。

图1 支持HART的4-20mA现场仪表的信号链功耗

但是，考虑到所示的压降（电缆、保护电路）并允许在过程控制器的输入端发出 5V 的信号，仪器端子处仅剩下 ~10 伏的电压。由于传感器信号传输所需的环路电流为16mA，因此仅为信号链组件供电4mA。这意味着实际功率预算仅为10 V * 4 mA = 40 mW，其（大约）如表1所示。

信号链组件	功率（毫瓦）
测量电路	25
保护电路	4
DC-DC 转换器（假设效率为 90%）	4
输出驱动器	5
HART（调制解调器和微控制器）	2
总	40

表1 4-20mA环路供电现场仪器的功率预算

该表显示，该仪器已经将其功率预算推向极限，因此无法包含额外的功能。

10BASE-T1L 速度更快，功率更大

为传感器和信号链组件供电的能力是拟用于现场仪器的任何通信接口的“必备”功能。10BASE-T1L满足了这一要求，同时还支持高达10Mbps（比HART快几个数量级）的数字数据通信，距离可达1公里。该标准允许高达 500mW 的功率输出，在 9 区（本质安全区域）的 A 类最小电源电压为 0V。图 2 显示了连接到 10BASE-T1L 现场开关的仪器和相关配电。

图 2 使用 10BASE-T1L 现场开关进行电源和数据通信的现场仪表

采用500V电源供电时，9mW的功率为信号链元件，电流约为55mA，表2显示了其分解过程。由于仅为传感器和测量电路供电的功率为250mW，因此可以包括额外的特性和功能。

信号链组件	功率（毫瓦）
传感器和测量电路	250
微控制器（用于工业以太网堆栈）	75
DC-DC 转换器（假设效率为 90%）	50
MAC-PHY 收发器	42
保护电路	80
耦合损耗	3
总	500

表 2 支持 10BASE-T1L 的现场仪器的功率预算

集成的 MAC-PHY 带来更多的电源优势

通常，物理层收发器 （PHY） 将管理仪器工业通信协议的微控制器连接到以太网网络。然而，这种方法需要一个更高端（因此更高功率）的微控制器，它不仅能够管理协议栈，还能够管理介质访问控制（MAC）子层（确保设备遵循管理何时可以在共享网络介质上传输的规则）。更聪明的方法使用收发器，将MAC和PHY集成到单个封装中，通过消除对微控制器管理MAC子层的要求来减轻微控制器的负担。这种方法使仪器设计人员可以更自由地从更广泛的低功耗微控制器中进行选择。

10BASE-T1L 以太网 APL MAC-PHY 收发器支持区域分区

ADI公司的ADIN1110（图3）采用具有高级物理层（APL）的10BASE-T1L，这是一种基于IEEE和IEC标准的双线标准，适用于过程自动化和危险场所。此 MAC-PHY 应用支持对 Zone 0 中的低功耗现场设备进行分区，通过 SPI 接口提供与主机处理器的以太网连接，同时仅消耗 42 mW 的功率。它还支持开放联盟 10BASE-T1x MAC-PHY 串行接口，用于时钟速度为 25 MHz 的全双工 SPI 通信。

图 3 ADIN1110 鲁棒型、工业、低功耗 10BASE-T1L 以太网 MAC-PHY

在工业现场仪表领域之外，在智能建筑应用（HVAC 系统、消防安全系统、访问控制、IP 摄像机、电梯系统和状态监控）中，MAC-PHY 允许低功耗设备加入以太网网络。

审核编辑：郭婷