由IEEE制定的新型单对以太网(SPE)或10BASE-T1L物理层标准，为传输设备运行状况信息实施状态监测(CbM)应用提供了新的连接解决方案。SPE提供共享电源和高带宽数据架构，可通过低成本双线电缆在超过1000米的距离实现10Mbps数据和电源的共享。
ADI公司设计了业界首款10BASE-T1L MAC-PHY(ADIN1110)，一款集成MAC的单对以太网收发器，它使用简单的SPI总线与嵌入式微控制器通信，可降低传感器的功耗并减少固件开发时间。
图1.10BASE-T1L单对以太网状态监测（振动）传感器原型
在本文中，将了解如何设计一款体型小巧但功能强大的传感器，如图1所示。本文将介绍：
u 如何设计小型共享数据和电源通信接口
u 如何为传感器设计超低噪声电源
u 微控制器和软件架构选择
u 选择合适的MEMS振动传感器
u 集成数字硬件设计和机械外壳
u 电脑上的数据采集UI示例
如何设计小型共享数据和电源通信接口
什么是PoDL？
电源和数据通过电感电容网络分布在单对双绞线上，具体如图2所示。高频数据通过串联电容与数据线路耦合，同时保护ADIN1100 10BASE-T1L PHY免受直流母线电压影响，如图2(a)所示。图2所示为通过连接至数据线路的耦合电感连接到PSE（供电设备）控制器的电源。如图2(b)所示，24VDC电源对交流数据总线实施偏置。在图2(c)中，PSE和PD（受电器件）之间的电流路径显示为IPWR，使用CbM传感器节点上的耦合电感从线路中提取电源。
图2.共享电源和数据线(PoDL)的基本原理
为防止极性电缆安装错误（例如，将PSE PHY的24VDC错接到PD PHY的0VDC），建议使用桥式整流二极管。为了确保EMC稳定性，需使用工作电压大于24VDC的TVS二极管。如果传感器硬件设计体积较大，还可以使用其他EMC元件（例如在信号线上配置高压电容）。
使用所有这些元件设计小型PoDL电路可能并不那么简单，但幸运的是，大多数供应商都针对整流二极管、TVS二极管和无源元件提供具有尺寸优势的解决方案。通常，必须选择具有超低电容的元件，尽可能地减少信号失真。建议耦合电感和电容分别为220µH和220nF，但在仿真或测试中可以采用更大的值以留出设计裕量。表1列出了可用于传感器设计的一系列小尺寸元件。
表1.适用于小型传感器设计PoDL接口的元件
如何设计小型PoDL电路？
图2中包含耦合电感和串联电容，这些是PoDL工作所需的基本元件。此外，还需使用其他元件以确保稳定性和容错性。
由于PoDL耦合电感属于非理想元件，因此会发生一定程度的差模至共模转换。这种共模噪声会降低信号质量。将共模扼流圈连接到靠近电缆连接器的位置有助于减轻这种非理想特性，并保护设计免受电缆共模噪声的影响。还需要检查共模扼流圈载流量和DCR，确保其能够为传感器提供足够的功率。
耦合电感的额定电流需要满足或超过远程供电MEMS传感器节点的总电流要求。LPD5030-224MRB的额定电流至少为240mA，大大超过了10BASE-T1L传感器节点的要求。由于额定电流要求相对较低，因此可以减小电感尺寸。表2显示，4.8mm × 4.8mm LPD5030-224MRB是满足10BASE-T1L链路要求的最小元件。
表2.功率电感——对封装尺寸的限制
