Michal Brychta和Michael Jackson

本博客說明了為什么這些設備正在突破這種傳統模擬接口可實現的界限。它還建議使用10BASE-T1L工業以太網MAC-PHY來克服這些限制，并大幅提高傳感器將過程信息傳送給控制器的數據速率。

估算4-20mA環路供電現場儀器的功率預算

圖1顯示了具有HART接口的現場儀器的典型信號鏈（能夠以高達1200 bps的速率實現數據通信）。對于20mA的最大環路電流，假設使用工業電源（通常為24V），儀器可用的總功率理論上為480mW。

圖1 支持HART的4-20mA現場儀表的信號鏈功耗

但是，考慮到所示的壓降（電纜、保護電路）并允許在過程控制器的輸入端發出 5V 的信號，儀器端子處僅剩下 ~10 伏的電壓。由于傳感器信號傳輸所需的環路電流為16mA，因此僅為信號鏈組件供電4mA。這意味著實際功率預算僅為10 V * 4 mA = 40 mW，其（大約）如表1所示。

表1 4-20mA環路供電現場儀器的功率預算

該表顯示，該儀器已經將其功率預算推向極限，因此無法包含額外的功能。

10BASE-T1L 速度更快，功率更大

為傳感器和信號鏈組件供電的能力是擬用于現場儀器的任何通信接口的“必備”功能。10BASE-T1L滿足了這一要求，同時還支持高達10Mbps（比HART快幾個數量級）的數字數據通信，距離可達1公里。該標準允許高達 500mW 的功率輸出，在 9 區（本質安全區域）的 A 類最小電源電壓為 0V。圖 2 顯示了連接到 10BASE-T1L 現場開關的儀器和相關配電。

圖 2 使用 10BASE-T1L 現場開關進行電源和數據通信的現場儀表

采用500V電源供電時，9mW的功率為信號鏈元件，電流約為55mA，表2顯示了其分解過程。由于僅為傳感器和測量電路供電的功率為250mW，因此可以包括額外的特性和功能。

表 2 支持 10BASE-T1L 的現場儀器的功率預算

集成的 MAC-PHY 帶來更多的電源優勢

通常，物理層收發器 （PHY） 將管理儀器工業通信協議的微控制器連接到以太網網絡。然而，這種方法需要一個更高端（因此更高功率）的微控制器，它不僅能夠管理協議棧，還能夠管理介質訪問控制（MAC）子層（確保設備遵循管理何時可以在共享網絡介質上傳輸的規則）。更聰明的方法使用收發器，將MAC和PHY集成到單個封裝中，通過消除對微控制器管理MAC子層的要求來減輕微控制器的負擔。這種方法使儀器設計人員可以更自由地從更廣泛的低功耗微控制器中進行選擇。

10BASE-T1L 以太網 APL MAC-PHY 收發器支持區域分區

ADI公司的ADIN1110（圖3）采用具有高級物理層（APL）的10BASE-T1L，這是一種基于IEEE和IEC標準的雙線標準，適用于過程自動化和危險場所。此 MAC-PHY 應用支持對 Zone 0 中的低功耗現場設備進行分區，通過 SPI 接口提供與主機處理器的以太網連接，同時僅消耗 42 mW 的功率。它還支持開放聯盟 10BASE-T1x MAC-PHY 串行接口，用于時鐘速度為 25 MHz 的全雙工 SPI 通信。

圖 3 ADIN1110 魯棒型、工業、低功耗 10BASE-T1L 以太網 MAC-PHY

在工業現場儀表領域之外，在智能建筑應用（HVAC 系統、消防安全系統、訪問控制、IP 攝像機、電梯系統和狀態監控）中，MAC-PHY 允許低功耗設備加入以太網網絡。

審核編輯：郭婷