工業(yè)4.0的基礎是可靠的通信基礎設施。決策者通過(guò)基礎設施從機器、現場(chǎng)設備和工廠(chǎng)提取數據。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(chǎng)車(chē)間和手術(shù)室雖然截然不同，但所使用的設備都必須可靠、精準地運行，這對于所執行的任務(wù)至關(guān)重要。隨著(zhù)設備需要更智能的系統、更多數據和更高的保真度，它們對帶寬的需求也不斷增加。與此同時(shí)，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(shí)，提供同等的可靠性和安全性。EMC是指系統能夠在其操作環(huán)境中發(fā)揮預期作用，不生成電噪聲，也不被電噪聲過(guò)度影響。

機器人和機器視覺(jué)

表1對比了USB、以太網(wǎng)和Camera Link標準的幾大關(guān)鍵指標。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標準的線(xiàn)纜最長(cháng)可達100米，采用新推出的10BASE-T1L標準的單條雙絞線(xiàn)最長(cháng)可達1 km，且EMC性能較高。使用USB 2.0或USB 3.0的線(xiàn)纜不超過(guò)5米，除非使用專(zhuān)門(mén)的有源USB電纜，且需要使用保護二極管和濾波器來(lái)提高EMC性能。但是，隨著(zhù)工業(yè)控制器普遍采用USB端口，且帶寬最高達到5 Gbps，這為設計人員提供了一些優(yōu)勢。

 

表1. 機器視覺(jué)攝像機的通信接口標準

 

Camera Link要求工業(yè)控制器配備專(zhuān)用的幀捕獲器硬件。USB或以太網(wǎng)無(wú)需工業(yè)控制器配備額外的幀捕獲器卡。Camera Link這個(gè)標準最早出現于2000年末，是機器視覺(jué)系統最常用的接口。如今，基于USB和以太網(wǎng)的機器視覺(jué)攝像機的使用更加廣泛，但是，需要對多個(gè)攝像機實(shí)施預先處理的應用仍在使用Camera Link和幀捕獲器，以降低主CPU負載。與千兆以太網(wǎng)相比，即使在基本速度下，Camera Link標準輸出的數據量也多達其兩倍，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(xiàn)路耦合的共模噪聲都會(huì )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(guò)電磁隔離進(jìn)行改善。

 

通過(guò)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(shí)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(shí)現工業(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(shí)間控制數據路由的第一個(gè)IEEE標準。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(guò)人類(lèi)可讀視覺(jué)表示方式顯示來(lái)自可編程邏輯控制器(PLC)的數據。標準HMI可用于追蹤生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)監控關(guān)鍵績(jì)效指標(KPI)和機器輸出。操作員可使用HMI執行多項任務(wù)，包括開(kāi)啟或關(guān)閉交換機，以及增加或降低過(guò)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準DIN電源軌的控制臺中，也可用于監控PLC。

 

使用HDMI時(shí)，電纜長(cháng)度可達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(cháng)的電纜上擴展HDMI具有挑戰性，因為EMC危害會(huì )影響布線(xiàn)。在電機和泵連接至DIN軌道式PLC時(shí)，HMI上也可能出現間接瞬變過(guò)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)。
 

要確保系統魯棒性，就需要仔細選擇接口技術(shù)。隨著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)迅速發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)（例如CAN或RS-485）變得普及。據業(yè)內消息，全球安裝的RS-485 (PROFIBUS)節點(diǎn)已超過(guò)6100萬(wàn)個(gè)，PROFIBUS過(guò)程自動(dòng)化(PA)設備同比增長(cháng)7%。PROFINET（工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)施）安裝基數為2600萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)，僅2018年安裝的器件數量就達到510萬(wàn)。如之前所述，利用基于以太網(wǎng)的技術(shù)可以實(shí)現高EMC性能，這是因為電磁被寫(xiě)入IEEE 802.3以太網(wǎng)標準，且必須在每個(gè)節點(diǎn)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，或者置于通信PCB上，以提高對靜電放電和瞬變過(guò)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(lái)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(lái)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，其數據速率可以超過(guò)1 Gbps）為設計人員提供了具有競爭力，且成本更低的替代解決方案。

 

內窺鏡

 

外科成像，包括內窺鏡在內，是一種獨特的應用，必須在提供高保真圖像的同時(shí)確?；颊叩陌踩?。上一代內窺鏡設備被稱(chēng)為視頻內窺鏡，使用一系列玻璃鏡片和一個(gè)光導管將圖像從成像頭傳輸到電荷耦合器件(CCD)傳感器。以可見(jiàn)光為媒介，將來(lái)自患者的圖像傳輸至內窺鏡，這種方法可以隔離有害電流，但是，在制造成本和圖像質(zhì)量方面的表現并不理想。

 

近期的外科成像設備通過(guò)轉向數字化來(lái)克服這些挑戰，且從CCD轉向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(wú)需串行連接多個(gè)鏡頭，且可以改善整體的圖像質(zhì)量。生產(chǎn)成本降低，使得一次性外科內窺鏡的使用成為可能，如此則無(wú)需擔心消毒問(wèn)題。攝像機進(jìn)一步縮小，使得微創(chuàng )手術(shù)成為可能。

 

在轉向數字內窺鏡之后，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(shí)現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，所以該系統在設計時(shí)，必須保證隔離患者和潛在的有害電流。

 

圖3. 帶CMOS圖像傳感器的數字內窺鏡的電子接口。
 

對于任何連接主電源的醫療系統，患者的安全至高無(wú)上。IEC 60601醫療電氣設備標準對保護患者(MOPP)免受有害電壓傷害的組件提出了嚴格要求。要使用高帶寬解決方案傳輸圖像數據，同時(shí)滿(mǎn)足這些嚴格的安全要求，這為系統設計人員帶來(lái)了重大挑戰。從CMOS圖像傳感器到內窺鏡CCU之間的電子視頻傳輸就是這樣一個(gè)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執行高帶寬傳輸，以滿(mǎn)足IEC 60601-1標準的要求。

 

醫療顯示器

 

其他醫療設備，例如呼吸機和心電圖(ECG)，都是直接與患者相連，用于呼吸輔助和監測。關(guān)于患者的信息會(huì )顯示在醫療設備自帶的圖形顯示器中，便于操作員查看。根據IEC 60101標準，該醫療設備中的顯示器是已知的、可信的且已經(jīng)過(guò)認證，可作為醫療設備使用。對于任何現成的外部電視和顯示器，則無(wú)法保證這一點(diǎn)。為了確?；颊叩陌踩?，應在醫療設備與外圍設備之間的外部連接中增加隔離，以保護患者。對于傳統的低速接口（例如RS-232、RS-485和CAN）來(lái)說(shuō)，這種隔離可能并不重要，可以使用標準數字隔離器來(lái)實(shí)現。

 

另一方面，視頻端口與外部顯示器的隔離會(huì )造成獨特的挑戰。顯示器的標準化接口的帶寬要求遠遠超過(guò)使用合適數量的光耦合器或標準數字隔離器可以實(shí)現的帶寬。嘗試隔離視頻接口的整個(gè)信號鏈會(huì )使復雜度進(jìn)一步增加。例如，HDMI 1.3a協(xié)議不止包含用于傳輸視頻數據的轉換最小化差模信號(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）設備之間的連接和斷開(kāi)的雙向控制信號。5 在添加系統設計人員視為障礙的電氣隔離時(shí)，必須考慮所有這些因素。在許多情況下，可能無(wú)法使用之前的方法為這些顯示器端口添加安全隔離柵，所以醫療系統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(shí)施電氣隔離的 參考設計 ，如此，在需要對患者實(shí)施保護時(shí)，可以直接增加額外的安全保護。

 

千兆數字隔離

 

當視頻和攝像機應用需要高帶寬和可靠的安全性時(shí)，系統設 計人員可以使用ADN4654系列LVDS數字隔離器這種新選擇。這些器件提供雙通道隔離，每個(gè)通道的數據速率高達1.1 Gbps，這代表著(zhù)數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，相比基于傳統的數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)轉換為光纖，需要用到序列化器、反序列化器和電光轉換器。使用標準數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(gè)以上的通道隔離，每個(gè)通道以150 Mbps運行。給簡(jiǎn)單的高帶寬接口添加隔離時(shí)，對系統設計人員來(lái)說(shuō)，這兩種方案都會(huì )產(chǎn)生開(kāi)銷(xiāo)。

 

利用ADN4654的千兆數據速率，可以降低系統的復雜性，而且，僅使用兩個(gè)設備即可實(shí)現4.4 Gbps帶寬。每個(gè)設備都有兩個(gè)通道，總共四個(gè)，每個(gè)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(gè)接口實(shí)施隔離的系統中，空間和復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格的抖動(dòng)和偏斜要求，以保證可靠通信。添加至信號鏈的任何組件（例如數字隔離器）的抖動(dòng)和偏斜必須最小，以免影響系統性能。過(guò)多的抖動(dòng)和偏斜可能會(huì )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(huì )帶來(lái)最少的抖動(dòng)，最大的隨機抖動(dòng)性能為4.8 ps rms，最大的峰峰確定抖動(dòng)為116 ps，采用PRBS-23（偽隨機二進(jìn)制序列）模式。模式運行長(cháng)度少于23位，這很常見(jiàn)，而在編碼方案的運行長(cháng)度更短的協(xié)議（例如8B/10B編碼）中，抖動(dòng)性能得到改善，改善后超過(guò)了這些值。

 

ADN4654/ADN4655/ADN4656器件利用內部LDO調節器來(lái)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(lái)自250 V rms電源）至IEC 60601標準。通過(guò)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隔離系統的組件使用。

 

圖5. 基于A(yíng)DN4654的系統可以輕松隔離高帶寬接口。

 

根據電路筆記CN-0422隔離HDMI

 

在給視頻接口添加安全隔離時(shí)，視頻協(xié)議本身的復雜性會(huì )成為一大挑戰。必須建議隔離各個(gè)視頻、控制和電源信號，對于設備制造生來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。即插即用型設計解決方案幫助縮短了實(shí)現功能設計所需的系統開(kāi)發(fā)時(shí)間。

 

自2002年年底推出以來(lái)，HDMI已成為商用高清電視和顯示器的實(shí)際標準之一。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 參考設計 可作為一種即插即用型解決方案，適合想要給現有的HDMI 1.3a視頻端口添加電氣隔離功能的用戶(hù)。結合 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參考設計，用于隔離HDMI 1.3a協(xié)議。
 

HDMI 1.3a協(xié)議中的視頻數據在四條TMSD線(xiàn)路中傳輸：三條數據線(xiàn)路，一條時(shí)鐘線(xiàn)路。每條線(xiàn)路都必須單獨隔離。傳統的數字隔離器不支持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(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)源組件兼容符合LVDS要求的設備。這些無(wú)源組件結合兩個(gè)雙通道千兆ADN4654隔離LVDS收發(fā)器，以隔離全部四條TMDS線(xiàn)路?？梢詫?shí)現高達110 MHz的像素時(shí)鐘頻率，在幀率為60 Hz時(shí)，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：顯示數據通道(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(lái)自EEPROM的顯示器EEID數據，并交換相關(guān)的格式化信息。CEC信號允許在多個(gè)連接的源設備和接收設備之間共享功能。檢測到HPD具有附加源（表示有與之相連的器件）時(shí)，HPD由接收設備置位。這些控制信號都使用兩個(gè) ADuM1250 器件隔離，在必要時(shí)，可以對這些信號實(shí)施雙向隔離。使用ADuM1250可以大大簡(jiǎn)化與實(shí)施雙向隔離通道相關(guān)的設計挑戰。

 

參考設計包括一個(gè)隔離式DC-DC電源轉換器 ADuM5020，用于給隔離器件的顯示（接收）側供電。根據標準要求，275 mW會(huì )傳輸至HDMI電纜，以支持接收設備。參考設計用于隔離HDMI源設備，但可以輕松采用隔離電源電路來(lái)隔離HDMI接收設備。

 

工業(yè)以太網(wǎng)

 

對于機器視覺(jué)應用，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(shí)現無(wú)縫連接和運行效率。

 

ADI公司的 fido5100/fido5200 REM交換機系列包括兩個(gè)2端口工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式交換機，這兩個(gè)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(guò)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用的處理器類(lèi)型，無(wú)需被迫使用特定供應商的協(xié)議棧。REM連接到處理器的內存總線(xiàn)，看起來(lái)與該總線(xiàn)上的任何其他外設都一樣。REM的存儲周期降至32 ns（32位總線(xiàn)為125 Mbps）以支持EtherCAT的12.5 μs周期，以及PROFINET IRT的31.25 μs周期。數據使用優(yōu)先信道隊列在交換機之間來(lái)回傳輸，因此實(shí)時(shí)數據傳輸可以無(wú)延遲地中斷非實(shí)時(shí)數據傳輸。這些隊列由交換機驅動(dòng)程序管理并與協(xié)議棧接口，以實(shí)現盡可能高效的數據傳輸。這也意味著(zhù)應用軟件不必費心管理交換機，設置低電平寄存器或跟蹤復雜的時(shí)間管理過(guò)程。

 

工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式交換機的另一個(gè)性能優(yōu)勢是它們的優(yōu)先信道技術(shù)使其不會(huì )受到網(wǎng)絡(luò )加載的影響。該優(yōu)勢可確保您的應用程序在任何時(shí)候都能夠啟動(dòng)并運行。REM交換機對數據包進(jìn)行智能過(guò)濾，以防止來(lái)自處理器的干擾流量，根據處理器負載管理低優(yōu)先級流量，并保證及時(shí)發(fā)送高優(yōu)先級數據包，無(wú)需考慮總數據包負載。

 

ADI公司的 ADIN1100、ADIN1200和ADIN1300 工業(yè)以太網(wǎng)物理層器件(PHY)旨在實(shí)現嚴苛工業(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，適用于需要可預測和安全通信的應用。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的數據速率。它們專(zhuān)門(mén)為最大限度地提高數據傳輸和信號完整性而開(kāi)發(fā)，采用小型封裝，同時(shí)支持多個(gè)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)境溫度范圍內運行，可為當今和未來(lái)的工業(yè)以太網(wǎng)應用提供高水平可靠性。ADIN1100 10BASE-T1L PHY通過(guò)長(cháng)達1 km的單根雙絞線(xiàn)提供10 Mbps以太網(wǎng)連接，且支持危險區域使用案例（本質(zhì)安全區域0應用），這些案例有時(shí)稱(chēng)為Ethernet-APL。ADIN1100為通過(guò)本質(zhì)安全認證的器件提供以太網(wǎng)連接，例如在危險區域中運行的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)和醫療應用中安全可靠的高帶寬視頻或攝像機接口的應用要求，并討論了在采用這些接口的同時(shí)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雜性。

經(jīng)測試符合規定的系統解決方案，減少了測試和合規性難題。示例之一就是根據HDMI標準測試的 參考設計。

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)品旨在將現實(shí)世界連接到工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，再連接到云。

 

結論

 

ADI利用其深厚的領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)知識和先進(jìn)技術(shù)，幫助合作伙伴連接未來(lái)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，用于在各種醫療和工業(yè)應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(cháng)線(xiàn)纜的物理層收發(fā)器，確保在嚴苛的工業(yè)應用中可靠傳輸關(guān)鍵數據。