工業(yè)4.0的基礎(chǔ)是可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施。決策者通過基礎(chǔ)設(shè)施從機器、現(xiàn)場設(shè)備和工廠提取數(shù)據(jù)。要保證機器人和人機接口的可靠性，先要深入了解底層技術(shù)選項。

 

工廠車間和手術(shù)室雖然截然不同，但所使用的設(shè)備都必須可靠、精準(zhǔn)地運行，這對于所執(zhí)行的任務(wù)至關(guān)重要。隨著設(shè)備需要更智能的系統(tǒng)、更多數(shù)據(jù)和更高的保真度，它們對帶寬的需求也不斷增加。與此同時，速度更快的通信接口必須在抵抗環(huán)境危害和電磁兼容性(EMC)的同時，提供同等的可靠性和安全性。EMC是指系統(tǒng)能夠在其操作環(huán)境中發(fā)揮預(yù)期作用，不生成電噪聲，也不被電噪聲過度影響。

機器人和機器視覺

表1對比了USB、以太網(wǎng)和Camera Link標(biāo)準(zhǔn)的幾大關(guān)鍵指標(biāo)。工業(yè)以太網(wǎng)具有多種優(yōu)勢，采用2對100BASE-TX和4對1000BASE-T1標(biāo)準(zhǔn)的線纜最長可達(dá)100米，采用新推出的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)的單條雙絞線最長可達(dá)1 km，且EMC性能較高。使用USB 2.0或USB 3.0的線纜不超過5米，除非使用專門的有源USB電纜，且需要使用保護二極管和濾波器來提高EMC性能。但是，隨著工業(yè)控制器普遍采用USB端口，且?guī)捵罡哌_(dá)到5 Gbps，這為設(shè)計人員提供了一些優(yōu)勢。

 

表1. 機器視覺攝像機的通信接口標(biāo)準(zhǔn)

 

Camera Link要求工業(yè)控制器配備專用的幀捕獲器硬件。USB或以太網(wǎng)無需工業(yè)控制器配備額外的幀捕獲器卡。Camera Link這個標(biāo)準(zhǔn)最早出現(xiàn)于2000年末，是機器視覺系統(tǒng)最常用的接口。如今，基于USB和以太網(wǎng)的機器視覺攝像機的使用更加廣泛，但是，需要對多個攝像機實施預(yù)先處理的應(yīng)用仍在使用Camera Link和幀捕獲器，以降低主CPU負(fù)載。與千兆以太網(wǎng)相比，即使在基本速度下，Camera Link標(biāo)準(zhǔn)輸出的數(shù)據(jù)量也多達(dá)其兩倍，且輸出距離更短。Camera Link物理層基于低壓差模信號(LVDS)，由于與每條線路耦合的共模噪聲都會在接收器端有效消除，因此本身具有EMC魯棒性。LVDS物理層的EMC魯棒性可通過電磁隔離進(jìn)行改善。

 

通過在攝像機和機器人鏈接上使用以太網(wǎng)，以及采用IEEE 802.1時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)交換機的工業(yè)控制器，可以最大限度地實現(xiàn)工業(yè)攝像機和機器人操作同步。TSN定義了交換式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中用于時間控制數(shù)據(jù)路由的第一個IEEE標(biāo)準(zhǔn)。ADI提供全套以太網(wǎng)技術(shù)，包括物理層收發(fā)器和TSN交換機，以及系統(tǒng)級解決方案、軟件和安全功能。

 

人機接口(HMI)

 

人機接口(HMI)常用于通過人類可讀視覺表示方式顯示來自可編程邏輯控制器(PLC)的數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)HMI可用于追蹤生產(chǎn)時間，同時監(jiān)控關(guān)鍵績效指標(biāo)(KPI)和機器輸出。操作員可使用HMI執(zhí)行多項任務(wù)，包括開啟或關(guān)閉交換機，以及增加或降低過程中的壓力或速度。HMI通常配備集成式顯示屏；但是，配備外接顯示屏選項的HMI具有多種優(yōu)勢。采用外部高清多媒體接口(HDMI)端口的HMI裝置更小巧，更容易安裝到采用標(biāo)準(zhǔn)DIN電源軌的控制臺中，也可用于監(jiān)控PLC。

 

使用HDMI時，電纜長度可達(dá)15米，便于路由到觸摸顯示屏和控制室，如圖2所示。在工業(yè)環(huán)境中，在更長的電纜上擴展HDMI具有挑戰(zhàn)性，因為EMC危害會影響布線。在電機和泵連接至DIN軌道式PLC時，HMI上也可能出現(xiàn)間接瞬變過壓。

 

圖2. 具備以太網(wǎng)和RS-485輸入，以及HDMI輸出的人機接口(HMI)。
 

要確保系統(tǒng)魯棒性，就需要仔細(xì)選擇接口技術(shù)。隨著工業(yè)以太網(wǎng)迅速發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)（例如CAN或RS-485）變得普及。據(jù)業(yè)內(nèi)消息，全球安裝的RS-485 (PROFIBUS)節(jié)點已超過6100萬個，PROFIBUS過程自動化(PA)設(shè)備同比增長7%。PROFINET（工業(yè)以太網(wǎng)實施）安裝基數(shù)為2600萬個節(jié)點，僅2018年安裝的器件數(shù)量就達(dá)到510萬。如之前所述，利用基于以太網(wǎng)的技術(shù)可以實現(xiàn)高EMC性能，這是因為電磁被寫入IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，且必須在每個節(jié)點使用。RS-485器件可以包含電磁隔離，以提高抗噪聲能力；保護二極管可以集成在片內(nèi)，或者置于通信PCB上，以提高對靜電放電和瞬變過壓的抵抗力。

 

HMI通常需要抗靜電放電，且利用ESD保護二極管來提高信號魯棒性。對于工業(yè)HMI，集成增強隔離可保護操作人員免除電氣危險。雖然目前提供了面向以太網(wǎng)和RS-485的合理的隔離解決方案，但如今，視頻傳輸主要利用成本高昂的光纖來隔離，這些光纖支持千兆傳輸速度。ADI公司關(guān)于電磁隔離技術(shù)的最新進(jìn)展（例如 ADN4654/ADN4655/ADN4656 系列，其數(shù)據(jù)速率可以超過1 Gbps）為設(shè)計人員提供了具有競爭力，且成本更低的替代解決方案。

 

內(nèi)窺鏡

 

外科成像，包括內(nèi)窺鏡在內(nèi)，是一種獨特的應(yīng)用，必須在提供高保真圖像的同時確保患者的安全。上一代內(nèi)窺鏡設(shè)備被稱為視頻內(nèi)窺鏡，使用一系列玻璃鏡片和一個光導(dǎo)管將圖像從成像頭傳輸?shù)诫姾神詈掀骷?CCD)傳感器。以可見光為媒介，將來自患者的圖像傳輸至內(nèi)窺鏡，這種方法可以隔離有害電流，但是，在制造成本和圖像質(zhì)量方面的表現(xiàn)并不理想。

 

近期的外科成像設(shè)備通過轉(zhuǎn)向數(shù)字化來克服這些挑戰(zhàn)，且從CCD轉(zhuǎn)向CMOS傳感器，后者的尺寸易于擴展，且可嵌入攝像機頭部。使用CMOS攝像機之后，無需串行連接多個鏡頭，且可以改善整體的圖像質(zhì)量。生產(chǎn)成本降低，使得一次性外科內(nèi)窺鏡的使用成為可能，如此則無需擔(dān)心消毒問題。攝像機進(jìn)一步縮小，使得微創(chuàng)手術(shù)成為可能。

 

在轉(zhuǎn)向數(shù)字內(nèi)窺鏡之后，CMOS圖像傳感器（接觸患者）和攝像機控制器(CCU)之間必須提供高速電子接口。LVDS和可擴展低壓信號(SLVS)層逐漸成為實現(xiàn)這種互連的常用的物理層，提供高帶寬和相對較低的功率。這種接口與視頻內(nèi)窺鏡中的接口不同，它目前是電子式的，可能能夠傳輸危險電流。因為不具備光學(xué)介質(zhì)的隔離性，所以該系統(tǒng)在設(shè)計時，必須保證隔離患者和潛在的有害電流。

 

圖3. 帶CMOS圖像傳感器的數(shù)字內(nèi)窺鏡的電子接口。
 

對于任何連接主電源的醫(yī)療系統(tǒng)，患者的安全至高無上。IEC 60601醫(yī)療電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)對保護患者(MOPP)免受有害電壓傷害的組件提出了嚴(yán)格要求。要使用高帶寬解決方案傳輸圖像數(shù)據(jù)，同時滿足這些嚴(yán)格的安全要求，這為系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了重大挑戰(zhàn)。從CMOS圖像傳感器到內(nèi)窺鏡CCU之間的電子視頻傳輸就是這樣一個示例，兩者之間需要建立符合安全要求的高速連接。ADI公司的獨有解決方案在可信的安全壁壘內(nèi)執(zhí)行高帶寬傳輸，以滿足IEC 60601-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。

 

醫(yī)療顯示器

 

其他醫(yī)療設(shè)備，例如呼吸機和心電圖(ECG)，都是直接與患者相連，用于呼吸輔助和監(jiān)測。關(guān)于患者的信息會顯示在醫(yī)療設(shè)備自帶的圖形顯示器中，便于操作員查看。根據(jù)IEC 60101標(biāo)準(zhǔn)，該醫(yī)療設(shè)備中的顯示器是已知的、可信的且已經(jīng)過認(rèn)證，可作為醫(yī)療設(shè)備使用。對于任何現(xiàn)成的外部電視和顯示器，則無法保證這一點。為了確?；颊叩陌踩瑧?yīng)在醫(yī)療設(shè)備與外圍設(shè)備之間的外部連接中增加隔離，以保護患者。對于傳統(tǒng)的低速接口（例如RS-232、RS-485和CAN）來說，這種隔離可能并不重要，可以使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器來實現(xiàn)。

 

另一方面，視頻端口與外部顯示器的隔離會造成獨特的挑戰(zhàn)。顯示器的標(biāo)準(zhǔn)化接口的帶寬要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過使用合適數(shù)量的光耦合器或標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器可以實現(xiàn)的帶寬。嘗試隔離視頻接口的整個信號鏈會使復(fù)雜度進(jìn)一步增加。例如，HDMI 1.3a協(xié)議不止包含用于傳輸視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換最小化差模信號(TMDS)，還包括用于交換視頻/格式信息、電源電路，以及檢測顯示（接收器）設(shè)備之間的連接和斷開的雙向控制信號。5 在添加系統(tǒng)設(shè)計人員視為障礙的電氣隔離時，必須考慮所有這些因素。在許多情況下，可能無法使用之前的方法為這些顯示器端口添加安全隔離柵，所以醫(yī)療系統(tǒng)中不包含外部顯示器端口。ADI公司提供對常用的視頻協(xié)議（例如HDMI 1.3a）實施電氣隔離的 參考設(shè)計 ，如此，在需要對患者實施保護時，可以直接增加額外的安全保護。

 

千兆數(shù)字隔離

 

當(dāng)視頻和攝像機應(yīng)用需要高帶寬和可靠的安全性時，系統(tǒng)設(shè) 計人員可以使用ADN4654系列LVDS數(shù)字隔離器這種新選擇。這些器件提供雙通道隔離，每個通道的數(shù)據(jù)速率高達(dá)1.1 Gbps，這代表著數(shù)字隔離在速度方面的一大飛躍。它們采用20引腳SSOP封裝，提供2.2 Gbps總吞吐量，相比基于傳統(tǒng)的數(shù)字隔離器的解決方案，其體積大大減小。

 

圖4. ADN4654千兆LVDS隔離器框圖。
 

以視頻鏈接為例，可以在60 Hz下傳輸24位顏色，分辨率為1920 ×1080 (1080 p)。要跨越隔離柵傳輸所需的信息，需要總帶寬達(dá)到4.4 Gbps。典型的光纖解決方案具有足夠的帶寬，但是從銅介質(zhì)轉(zhuǎn)換為光纖，需要用到序列化器、反序列化器和電光轉(zhuǎn)換器。使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器的解決方案還需要用到序列化器、反序列化器，以及30個以上的通道隔離，每個通道以150 Mbps運行。給簡單的高帶寬接口添加隔離時，對系統(tǒng)設(shè)計人員來說，這兩種方案都會產(chǎn)生開銷。

 

利用ADN4654的千兆數(shù)據(jù)速率，可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且，僅使用兩個設(shè)備即可實現(xiàn)4.4 Gbps帶寬。每個設(shè)備都有兩個通道，總共四個，每個通道都以1.1 Gbps運行。具備高通道帶寬之后，則不再需要信號鏈中的任何SERDES模塊。在需要對不止一個接口實施隔離的系統(tǒng)中，空間和復(fù)雜性的改善得以兼顧。

 

以高于1 Gbps的速率運行的物理層接口具有嚴(yán)格的抖動和偏斜要求，以保證可靠通信。添加至信號鏈的任何組件（例如數(shù)字隔離器）的抖動和偏斜必須最小，以免影響系統(tǒng)性能。過多的抖動和偏斜可能會影響接收器的采樣裕量，增加總體誤碼率。ADN4654在給定通道上能達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先的偏斜性能，最大100 ps，器件與器件之間則為600 ps，因此非常適合隔離這些高帶寬接口。ADN4654只會帶來最少的抖動，最大的隨機抖動性能為4.8 ps rms，最大的峰峰確定抖動為116 ps，采用PRBS-23（偽隨機二進(jìn)制序列）模式。模式運行長度少于23位，這很常見，而在編碼方案的運行長度更短的協(xié)議（例如8B/10B編碼）中，抖動性能得到改善，改善后超過了這些值。

 

ADN4654/ADN4655/ADN4656器件利用內(nèi)部LDO調(diào)節(jié)器來提供靈活的電源配置，可用于多種通道配置。ADN4654采用20引腳寬體SOIC封裝，或者節(jié)省空間的20引腳SSOP封裝。SOIC封裝提供5 kV rms隔離和7.8 mm爬電距離和間隙，使得這些器件適合1 MOPP（來自250 V rms電源）至IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)。通過利用封裝將器件的爬電距離和間隙增加到大于8 mm，它們能夠作為2 MOPP隔離系統(tǒng)的組件使用。

 

圖5. 基于ADN4654的系統(tǒng)可以輕松隔離高帶寬接口。

 

根據(jù)電路筆記CN-0422隔離HDMI

 

在給視頻接口添加安全隔離時，視頻協(xié)議本身的復(fù)雜性會成為一大挑戰(zhàn)。必須建議隔離各個視頻、控制和電源信號，對于設(shè)備制造生來說，這是一個非常棘手的問題。即插即用型設(shè)計解決方案幫助縮短了實現(xiàn)功能設(shè)計所需的系統(tǒng)開發(fā)時間。

 

自2002年年底推出以來，HDMI已成為商用高清電視和顯示器的實際標(biāo)準(zhǔn)之一。HDMI之所以能大獲成功，因歸功于其功能組和可靠的互操作性。

 

EVAL-CN0422-EBZ 參考設(shè)計 可作為一種即插即用型解決方案，適合想要給現(xiàn)有的HDMI 1.3a視頻端口添加電氣隔離功能的用戶。結(jié)合 iCoupler? 技術(shù)，以跨越隔離柵傳輸所需的功率和高速視頻，以及控制信號。

 

圖6. EVAL-CN0422-EBZ參考設(shè)計，用于隔離HDMI 1.3a協(xié)議。
 

HDMI 1.3a協(xié)議中的視頻數(shù)據(jù)在四條TMSD線路中傳輸：三條數(shù)據(jù)線路，一條時鐘線路。每條線路都必須單獨隔離。傳統(tǒng)的數(shù)字隔離器不支持TMDS的高帶寬或差分特性，因此不太適用。雖然TMDS與LVDS稍有不同，但可通過簡單的無源組件兼容符合LVDS要求的設(shè)備。這些無源組件結(jié)合兩個雙通道千兆ADN4654隔離LVDS收發(fā)器，以隔離全部四條TMDS線路?？梢詫崿F(xiàn)高達(dá)110 MHz的像素時鐘頻率，在幀率為60 Hz時，支持720 p分辨率。

 

HDMI協(xié)議包含其他用于進(jìn)行控制的低速信號：顯示數(shù)據(jù)通道(DDC)、消費電子控制(CEC)和熱插拔檢測(HPD)。DDC用于允許源極讀取來自EEPROM的顯示器EEID數(shù)據(jù)，并交換相關(guān)的格式化信息。CEC信號允許在多個連接的源設(shè)備和接收設(shè)備之間共享功能。檢測到HPD具有附加源（表示有與之相連的器件）時，HPD由接收設(shè)備置位。這些控制信號都使用兩個 ADuM1250 器件隔離，在必要時，可以對這些信號實施雙向隔離。使用ADuM1250可以大大簡化與實施雙向隔離通道相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)。

 

參考設(shè)計包括一個隔離式DC-DC電源轉(zhuǎn)換器 ADuM5020，用于給隔離器件的顯示（接收）側(cè)供電。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，275 mW會傳輸至HDMI電纜，以支持接收設(shè)備。參考設(shè)計用于隔離HDMI源設(shè)備，但可以輕松采用隔離電源電路來隔離HDMI接收設(shè)備。

 

工業(yè)以太網(wǎng)

 

對于機器視覺應(yīng)用，ADI公司的多協(xié)議以太網(wǎng)交換機、以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，以及所有平臺解決方案產(chǎn)品組合都確保實現(xiàn)無縫連接和運行效率。

 

ADI公司的 fido5100/fido5200 REM交換機系列包括兩個2端口工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式交換機，這兩個交換機可連接到任何處理器，包括任何Arm CPU和ADI的 fido1100 通信控制器。

 

通過使用這些工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式交換機，您可以選擇適合您應(yīng)用的處理器類型，無需被迫使用特定供應(yīng)商的協(xié)議棧。REM連接到處理器的內(nèi)存總線，看起來與該總線上的任何其他外設(shè)都一樣。REM的存儲周期降至32 ns（32位總線為125 Mbps）以支持EtherCAT的12.5 μs周期，以及PROFINET IRT的31.25 μs周期。數(shù)據(jù)使用優(yōu)先信道隊列在交換機之間來回傳輸，因此實時數(shù)據(jù)傳輸可以無延遲地中斷非實時數(shù)據(jù)傳輸。這些隊列由交換機驅(qū)動程序管理并與協(xié)議棧接口，以實現(xiàn)盡可能高效的數(shù)據(jù)傳輸。這也意味著應(yīng)用軟件不必費心管理交換機，設(shè)置低電平寄存器或跟蹤復(fù)雜的時間管理過程。

 

工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式交換機的另一個性能優(yōu)勢是它們的優(yōu)先信道技術(shù)使其不會受到網(wǎng)絡(luò)加載的影響。該優(yōu)勢可確保您的應(yīng)用程序在任何時候都能夠啟動并運行。REM交換機對數(shù)據(jù)包進(jìn)行智能過濾，以防止來自處理器的干擾流量，根據(jù)處理器負(fù)載管理低優(yōu)先級流量，并保證及時發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，無需考慮總數(shù)據(jù)包負(fù)載。

 

ADI公司的 ADIN1100、ADIN1200和ADIN1300 工業(yè)以太網(wǎng)物理層器件(PHY)旨在實現(xiàn)嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境下的魯棒性。這些產(chǎn)品已經(jīng)完成了廣泛的EMC和可靠性測試，適用于需要可預(yù)測和安全通信的應(yīng)用。利用行業(yè)領(lǐng)先的低延遲和低功耗PHY技術(shù)，該產(chǎn)品組合支持10 Mbps、100 Mbps和1 Gbps的數(shù)據(jù)速率。它們專門為最大限度地提高數(shù)據(jù)傳輸和信號完整性而開發(fā)，采用小型封裝，同時支持多個MAC接口。工業(yè)以太網(wǎng)物理層套件適合在擴展的工業(yè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)運行，可為當(dāng)今和未來的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用提供高水平可靠性。ADIN1100 10BASE-T1L PHY通過長達(dá)1 km的單根雙絞線提供10 Mbps以太網(wǎng)連接，且支持危險區(qū)域使用案例（本質(zhì)安全區(qū)域0應(yīng)用），這些案例有時稱為Ethernet-APL。ADIN1100為通過本質(zhì)安全認(rèn)證的器件提供以太網(wǎng)連接，例如在危險區(qū)域中運行的HMI、工業(yè)視頻攝像機和熱感攝像機。

 

ADI提供哪些首發(fā)產(chǎn)品？

 

本文描述了工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中安全可靠的高帶寬視頻或攝像機接口的應(yīng)用要求，并討論了在采用這些接口的同時保持關(guān)鍵性能可使用的重要技術(shù)選項。ADI公司提供創(chuàng)新解決方案，包括：

 

行業(yè)首款千兆數(shù)字隔離器系列ADN4654/ADN4655/ADN4656，提供了隔離高帶寬接口的新選項。

行業(yè)首款電氣隔離視頻和攝像機端口，與龐大的光纖解決方案相比，有助于降低成本和復(fù)雜性。

經(jīng)測試符合規(guī)定的系統(tǒng)解決方案，減少了測試和合規(guī)性難題。示例之一就是根據(jù)HDMI標(biāo)準(zhǔn)測試的 參考設(shè)計。

整套工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品，包括技術(shù)、解決方案、軟件和安全功能，這些產(chǎn)品旨在將現(xiàn)實世界連接到工廠網(wǎng)絡(luò)，再連接到云。

 

結(jié)論

 

ADI利用其深厚的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識和先進(jìn)技術(shù)，幫助合作伙伴連接未來工業(yè)套件和網(wǎng)絡(luò)。行業(yè)首款千兆電氣隔離技術(shù)提供替代方案，用于在各種醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中隔離視頻和攝像機接口。ADI公司的以太網(wǎng)解決方案利用TSN以太網(wǎng)交換機和低延遲、低功耗、長線纜的物理層收發(fā)器，確保在嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用中可靠傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)。