|
來(lái)源：Digi-Key 作者：Bonnie Baker 樓宇自動(dòng)化可降低設施的運營(yíng)和維護成本，同時(shí)也為樓宇住戶(hù)提供更安全和更舒適的環(huán)境。要改進(jìn)樓宇自動(dòng)化系統 (BAS) 的性能，需要從越來(lái)越多的傳感器收集更多數據，并傳輸至部署于整個(gè)建筑中的更多控制裝置/致動(dòng)器。這種部署需要采用經(jīng)濟且有效的方式，將捕獲的數據從檢測節點(diǎn)傳送到中央集線(xiàn)器或云端，從而對其進(jìn)行分析及采取行動(dòng)，并傳遞所需的控制信號。 大規模部署傳感器和致動(dòng)器可能需要大量且昂貴的返工，以確保全面覆蓋建筑，尤其對于傳統建筑及不易通電的場(chǎng)所。迄今為止，RS-485 網(wǎng)絡(luò )一直是經(jīng)濟有效的改造解決方案，但更豐富的數據集和更高的數據速率需要吞吐量更大的替代方案。 為了在增加吞吐量的同時(shí)最大限度地降低成本，設計人員可以借助 10BASE-T1L 來(lái)利用目前安裝的單路雙絞線(xiàn)以太網(wǎng)或 RS-485 布線(xiàn)。10BASE-T1L 基于 IEEE 標準 802.3cg-2019 封裝格式的數據通信接口，在長(cháng)達 1000 m 距離下提供 10 Mbit/s 吞吐量。雙線(xiàn)接口還可以選擇通過(guò)數據線(xiàn)供電，因而不需要本地電源或布設電源電纜。這種方式能夠連接無(wú)限個(gè)設備，因此消除了對高耗電網(wǎng)關(guān)的需求。 本文討論樓宇控制要求以及迄今為止的解決方案。隨后將介紹 10BASE-T1L 以太網(wǎng)和 Analog Devices 的解決方案示例，以證明其易于實(shí)現。本文還會(huì )展示如何利用軟件 I/O (SWIO) 技術(shù)簡(jiǎn)化適用于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )樓宇控制器的傳感器接口，同時(shí)保持樓宇管理系統 (BMS) 的向后和向前兼容性。還將介紹一款合適的評估板，以幫助設計人員入門(mén) SWIO。 BAS 或 BMS 的作用 BAS 或 BMS 指的是各種樓宇系統的自動(dòng)化和管理。BMS 的目標包括住戶(hù)的舒適度、樓宇系統的能效、運行和維護成本以及安全性。BMS 的四個(gè)層次分別為監控層、服務(wù)器/應用層、現場(chǎng)控制器層和輸入/輸出層。 監控層實(shí)際上就是監控設備所在的雙線(xiàn)傳輸層。監控設備整合了所有現場(chǎng)控制器的流量。服務(wù)器/應用層接收來(lái)自不同監控設備的數據。該層支持標準的以太網(wǎng)協(xié)議，如樓宇管理系統常用的 Modbus、KNX、BACnet 和 LON。該層通過(guò)用戶(hù)界面將整合的數據傳輸至客戶(hù)端或最終用戶(hù)�，F場(chǎng)控制器層處理來(lái)自溫度傳感器和交換機的輸入數據，并控制系統輸出，如致動(dòng)器和繼電器。 BMS 的最后組成部分是輸入/輸出層。該層是傳感器和控制設備所在的地方。一些傳感器和致動(dòng)器支持 TCP/IP，因而不需要控制器。 RS-485：經(jīng)典的 BMS 連接解決方案 目前，TIA/EIA-485 接口（通常稱(chēng)為 RS-485）已經(jīng)受到 BMS 應用設計人員的廣泛采用，因為它是具有多路通信鏈接且經(jīng)濟實(shí)惠的本地網(wǎng)絡(luò )。RS-485 是純電氣標準，定義了實(shí)施平衡多點(diǎn)傳輸線(xiàn)時(shí)接收器和驅動(dòng)器的電氣特性。它支持通過(guò)一條雙絞線(xiàn)對連接進(jìn)行雙向、半雙工的數據交換，并允許多路連接（將數個(gè)收發(fā)器連接到同一條線(xiàn)路），這非常適合 BMS。 RS-485 還支持合理的高數據速率：在長(cháng)達 10 m 的距離支持 35 Mbit/s，在 1200 m 的距離支持 100 kbit/s。根據 RS-485 經(jīng)驗法則，速度 (bit/s) 乘以電纜長(cháng)度 (m) 不應超過(guò) 10E8。因此，50 m 電纜的最快速度為 2 Mbit/s。然而，在 RS-485 樓宇控制應用中使用如此高的速率并不常見(jiàn)。BACnet MS/TP 是在 RS-485 物理層 (PHY) 運行的常見(jiàn)樓宇自動(dòng)化協(xié)議，最高速度為 115,200 bit/s。 與其他串行通信鏈路相比，RS-485 通信鏈路的主要優(yōu)勢是在嚴苛的工業(yè)環(huán)境中對電噪聲容限高。RS-485 具備電噪聲抑制特性、長(cháng)電纜傳輸距離、支持一條線(xiàn)路上連接多個(gè)收發(fā)器，以及合理的高數據傳輸速度，非常適合 BMS 環(huán)境。 10BASE-T1L 以太網(wǎng)協(xié)議 隨著(zhù) BMS 要求增加和數據集更豐富，吞吐量變得越來(lái)越重要。10BASE-T1L 為通過(guò)雙絞線(xiàn)的點(diǎn)對點(diǎn)通信提供更高速率的替代方案，因為它在 1000 m 的距離支持 10 Mbit/s 的速率。10BASE-T1L 還解決了諸如電源、電纜、距離和數據島等現場(chǎng)挑戰，同時(shí)無(wú)需使用復雜的網(wǎng)關(guān)。 10BASE-T1L 中的“10”表示 10 Mbit/s 的傳輸速率，“BASE”表示基帶信號，“T”表示“雙絞線(xiàn)”，數字“1”表示 1 km 范圍。最后的“L”表示“長(cháng)距離”，表明 1 km 的區段長(cháng)度。10BASE-T1L 能夠提供 500 mW 功率，將以太網(wǎng)帶入本質(zhì)安全的 0 區或危險區域應用。在非本質(zhì)安全應用中，它可以提供高達 60 W 的功率。 10BASE-T1L 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構可以是菊花鏈、直線(xiàn)形或環(huán)形。如前所述，未采用網(wǎng)關(guān)：以太網(wǎng)數據包從邊緣移動(dòng)到控制層，最后移動(dòng)到云端，因此能更充分地實(shí)現樓宇自動(dòng)化無(wú)縫通信的目標。 無(wú)論傳感器位于制造工廠(chǎng)還是在辦公桌上，采用這種簡(jiǎn)化的以太網(wǎng)到云連接后，可以用手機或筆記本電腦配置傳感器。 樓宇自動(dòng)化 10BASE-T1L 硬件配置 要開(kāi)發(fā) 10BASE-T1L 以太網(wǎng)連接傳感節點(diǎn)，設計人員可以選擇三種 Analog Devices 的即用型設備。ADIN1100 是一款堅固耐用的工業(yè)級低功耗 10BASE-T1L 收發(fā)器，具有以太網(wǎng)物理層 (PHY)；ADIN1110 同時(shí)具有媒體訪(fǎng)問(wèn)控制 (MAC) 和 PHY 接口（圖 1）。 
圖 1：ADIN1110 是一款集成有以太網(wǎng) PHY 和 MAC 的低功耗單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 第三個(gè)選擇是 ADIN2111，這是一款低功耗、低復雜性的雙端口交換機，集成了兩個(gè) 10BASE-T1L PHY 和一個(gè)串行外設接口 (SPI) 端口（圖 2）。使用 SPI 可降低對主機處理器的要求，使用戶(hù)有更多的選擇來(lái)優(yōu)化設備的功率、成本和性能。
圖 2：ADIN2111 是一款集成 PHY 的低功耗、低復雜性雙端口交換機。（圖片來(lái)源：Analog Devices） ADIN1100 和 ADIN2111 10BASE-T1L 設備可以部署在菊花鏈（圖 3）、直線(xiàn)形或環(huán)形網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中。與星形網(wǎng)絡(luò )相比，這些網(wǎng)絡(luò )拓撲結構極大減少了所需的布線(xiàn)量。
圖 3：圖中顯示了使用 ADIN1100 控制器和 ADIN2111 雙端口交換機的 10BASE-T1L 網(wǎng)絡(luò )的菊花鏈拓撲結構。也可以采用直線(xiàn)形或環(huán)形拓撲結構。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 要開(kāi)始使用 10BASE-T1L，設計人員可以使用適用于 ADIN1100 的 EVAL-ADIN1100 評估板。該評估板可輕松訪(fǎng)問(wèn) ADIN1100 的所有功能，并可通過(guò) PC 上的圖形用戶(hù)界面 (GUI) 或獨立的硬件配置操作進(jìn)行配置。其包括兩個(gè)用于 10BASE-T1L 電纜和外部電源的插入式螺紋端子連接器、帶有 RJ45 連接器的 Cat 5e 以太網(wǎng)電纜，以及一條 USB-A 轉 micro-USB-B 電纜。還提供了小型原型開(kāi)發(fā)區域。 靈活的傳感器接口支持 10BASE-T1L BMS 網(wǎng)絡(luò )的邊緣混雜著(zhù)溫度、壓力、負載、濕度和應變儀傳感器，這些傳感器需要各種模擬電路來(lái)捕獲和啟動(dòng) BMS 事件。 為了適應各種各樣的接口，設計人員可以使用 Analog Devices 的 AD74412R 四通道軟件可編程 I/O (SWIO) 接口 IC，這款產(chǎn)品適用于過(guò)程控制和 BMS 應用。SWIO 具有獨特的靈活性，能夠訪(fǎng)問(wèn)任何引腳上的任何 I/O 功能，使設計人員能夠隨時(shí)配置通道。設計人員可以通過(guò)跨越整個(gè)建筑的兩線(xiàn)以太網(wǎng)通道實(shí)時(shí)編程。這可降低設計資源需求，并在整個(gè)自動(dòng)化建筑中快速廣泛地部署通用產(chǎn)品。 AD74412R 包含模擬輸入、模擬輸出和數字輸入，并能通過(guò)兼容的 SPI 進(jìn)行電阻溫度檢測器 (RTD) 測量。如圖 4 所示，它具備 16 位 Σ-Δ 模數轉換器 (ADC)、一組診斷功能，以及四個(gè)可配置的 13 位數模轉換器 (DAC)，提供 4 個(gè)可配置的 I/O 通道。
圖 4：AD74412R 四通道 SWIO 具有四個(gè)可配置的 13 位 DAC，提供 4 個(gè)可配置的 I/O 通道。此外，還包括一個(gè) 16 位 Σ-Δ ADC 和一組診斷功能。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 與 AD74412R 相關(guān)的模式分別為電流輸出、電壓輸出、電壓輸入、外部供電的電流輸入、環(huán)路供電的電流輸入、外部 RTD 測量、數字輸入邏輯和環(huán)路供電的數字輸入。AD74412R 還為 DAC 和 ADC 提供高精度的 2.5 V 內部基準。 使用 AD7441R 評估板進(jìn)行設計 AD74412R SWIO 的模擬應用幾乎數不勝數。為了幫助設計人員入門(mén)，Analog Devices 提供 EV-AD74412RSDZ 評估板（圖 5）。使用該評估板，可借助板載重新配置選項和基于 PC 的可編程性進(jìn)行工程探索。
圖 5：EV-AD74412RSDZ 是一款適用于 AD74412R 的全功能評估板。（圖片來(lái)源：Analog Devices） AD74412R 評估軟件通過(guò) EVAL-SDP-CS1Z 系統演示平臺 (SDP) 與 EV-AD74412RSDZ 進(jìn)行通信，該平臺可獲取評估板的輸入和輸出信號。該軟件帶有下拉菜單界面，簡(jiǎn)化了 AD74412R 的配置，并且提供診斷工具。 總結 10BASE-T1L 為新一代 BAS 提供在長(cháng)達 1000 m 距離下 10 Mbit/s 的吞吐量，同時(shí)支持傳統的兩線(xiàn)制雙絞線(xiàn)安裝。如圖所示，憑借 ADIN1100 10BASE-T1L 收發(fā)器、ADIN2111 雙端口以太網(wǎng)交換機和適用于過(guò)程控制和 BMS 應用的 AD74412R 四通道軟件可編程 I/O (SWIO) 解決方案，設計人員可以快速實(shí)現向前、向后兼容的 10BASE-T1L 傳感器網(wǎng)絡(luò )。 |
