工業4.0的基礎是可靠的通信基礎設施。決策者通過基礎設施從機器
、現場設備和工廠提取數據。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選項。

 

工廠車間和手術室雖然截然不同
，但所使用的設備都必須可靠、精準地運行
，這對於所執行的任務至關重要。隨著設備需要更智能的係統
、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
，速度更快的通信接口必須在抵抗環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是指係統能夠在其操作環境中發揮預期作用，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、以太網和Camera Link標準的幾大關鍵指標。工業以太網具有多種優勢，采用2對100BASE-TX和4對1000BASE-T1標準的線纜最長可達100米，采用新推出的10BASE-T1L標準的單條雙絞線最長可達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，隨著工業控製器普遍采用USB端口，且帶寬最高達到5 Gbps，這為設計人員提供了一些優勢。

 

表1. 機器視覺攝像機的通信接口標準

 

Camera Link要求工業控製器配備專用的幀捕獲器硬件。USB或以太網無需工業控製器配備額外的幀捕獲器卡。Camera Link這個標準最早出現於2000年末，是機器視覺係統最常用的接口。如今，基於USB和以太網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物理層基於低壓差模信號(LVDS)
，由於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行改善。

 

通過在攝像機和機器人鏈接上使用以太網
，以及采用IEEE 802.1時間敏感網絡(TSN)交換機的工業控製器，可以最大限度地實現工業攝像機和機器人操作同步。TSN定義了交換式以太網網絡中用於時間控製數據路由的第一個IEEE標準。ADI提供全套以太網技術，包括物理層收發器和TSN交換機，以及係統級解決方案
、軟件和安全功能。

 

人機接口(HMI)

 

人機接口(HMI)常用於通過人類可讀視覺表示方式顯示來自可編程邏輯控製器(PLC)的數據。標準HMI可用於追蹤生產時間，同時監控關鍵績效指標(KPI)和機器輸出。操作員可使用HMI執行多項任務，包括開啟或關閉交換機，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電源軌的控製台中，也可用於監控PLC。

 

使用HDMI時
，電纜長度可達15米，便於路由到觸摸顯示屏和控製室
，如圖2所示。在工業環境中，在更長的電纜上擴展HDMI具有挑戰性
，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上也可能出現間接瞬變過壓。

 

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

要確保係統魯棒性，就需要仔細選擇接口技術。隨著工業以太網迅速發展，現場總線技術（例如CAN或RS-485）變得普及。據業內消息，全球安裝的RS-485 (PROFIBUS)節點已超過6100萬個，PROFIBUS過程自動化(PA)設備同比增長7%。PROFINET（工業以太網實施）安裝基數為2600萬個節點，僅2018年安裝的器件數量就達到510萬。如之前所述，利用基於以太網的技術可以實現高EMC性能

，這是因為電磁被寫入IEEE 802.3以太網標準
，且必須在每個節點使用。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，或者置於通信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。對於工業HMI，集成增強隔離可保護操作人員免除電氣危險。雖然目前提供了麵向以太網和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公司關於電磁隔離技術的最新進展（例如 ADN4654/ADN4655/ADN4656 係列，其數據速率可以超過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(wai)科(ke)成(cheng)像(xiang)
，包(bao)括(kuo)內(nei)窺(kui)鏡(jing)在(zai)內(nei)，是(shi)一(yi)種(zhong)獨(du)特(te)的(de)應(ying)用(yong)
，必(bi)須(xu)在(zai)提(ti)供(gong)高(gao)保(bao)真(zhen)圖(tu)像(xiang)的(de)同(tong)時(shi)確(que)保(bao)患(huan)者(zhe)的(de)安(an)全(quan)。上(shang)一(yi)代(dai)內(nei)窺(kui)鏡(jing)設(she)備(bei)被(bei)稱(cheng)為(wei)視(shi)頻(pin)內(nei)窺(kui)鏡(jing)，使(shi)用(yong)一(yi)係(xi)列(lie)玻(bo)璃(li)鏡(jing)片(pian)和(he)一(yi)個(ge)光(guang)導(dao)管(guan)將(jiang)圖(tu)像(xiang)從(cong)成(cheng)像(xiang)頭(tou)傳(chuan)輸(shu)到(dao)電(dian)荷(he)耦(ou)合(he)器(qi)件(jian)(CCD)傳(chuan)感(gan)器(qi)。以(yi)可(ke)見(jian)光(guang)為(wei)媒(mei)介(jie)
，將(jiang)來(lai)自(zi)患(huan)者(zhe)的(de)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)輸(shu)至(zhi)內(nei)窺(kui)鏡(jing)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)隔(ge)離(li)有(you)害(hai)電(dian)流(liu)
，但(dan)是(shi)，在(zai)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)和(he)圖(tu)像(xiang)質(zhi)量(liang)方(fang)麵(mian)的(de)表(biao)現(xian)並(bing)不(bu)理(li)想(xiang)。

 

近期的外科成像設備通過轉向數字化來克服這些挑戰，且從CCD轉向CMOS傳感器，後者的尺寸易於擴展
，且可嵌入攝像機頭部。使用CMOS攝(she)像(xiang)機(ji)之(zhi)後(hou)，無(wu)需(xu)串(chuan)行(xing)連(lian)接(jie)多(duo)個(ge)鏡(jing)頭(tou)，且(qie)可(ke)以(yi)改(gai)善(shan)整(zheng)體(ti)的(de)圖(tu)像(xiang)質(zhi)量(liang)。生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)降(jiang)低(di)，使(shi)得(de)一(yi)次(ci)性(xing)外(wai)科(ke)內(nei)窺(kui)鏡(jing)的(de)使(shi)用(yong)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)，如(ru)此(ci)則(ze)無(wu)需(xu)擔(dan)心(xin)消(xiao)毒(du)問(wen)題(ti)。攝(she)像(xiang)機(ji)進(jin)一(yi)步(bu)縮(suo)小(xiao)

，使(shi)得(de)微(wei)創(chuang)手(shou)術(shu)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。

 

在轉向數字內窺鏡之後，CMOS圖像傳感器（接觸患者）和攝像機控製器(CCU)之間必須提供高速電子接口。LVDS和可擴展低壓信號(SLVS)cengzhujianchengweishixianzhezhonghuliandechangyongdewuliceng，tigonggaodaikuanhexiangduijiaodidegonglv。zhezhongjiekouyushipinneikuijingzhongdejiekoubutong，tamuqianshidianzishide

，kenengnenggouchuanshuweixiandianliu。yinweibujubeiguangxuejiezhidegelixing，suoyigaixitongzaishejishi，bixubaozhenggelihuanzheheqianzaideyouhaidianliu。

 

圖3. 帶CMOS圖像傳感器的數字內窺鏡的電子接口。
 

對於任何連接主電源的醫療係統，患者的安全至高無上。IEC 60601醫療電氣設備標準對保護患者(MOPP)mianshouyouhaidianyashanghaidezujiantichuleyangeyaoqiu。yaoshiyonggaodaikuanjiejuefanganchuanshutuxiangshuju，tongshimanzuzhexieyangedeanquanyaoqiu，zheweixitongshejirenyuandailailezhongdatiaozhan。congCMOS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，用於呼吸輔助和監測。關於患者的信息會顯示在醫療設備自帶的圖形顯示器中
，便於操作員查看。根據IEC 60101標準，該醫療設備中的顯示器是已知的、kexindeqieyijingguorenzheng，kezuoweiyiliaoshebeishiyong。duiyurenhexianchengdewaibudianshihexianshiqi，zewufabaozhengzheyidian。weilequebaohuanzhedeanquan，yingzaiyiliaoshebeiyuwaiweishebeizhijiandewaibulianjiezhongzengjiageli，yibaohuhuanzhe。duiyuchuantongdedisujiekou（例如RS-232、RS-485和CAN）來說，這種隔離可能並不重要，可以使用標準數字隔離器來實現。

 

lingyifangmian，shipinduankouyuwaibuxianshiqidegelihuizaochengdutedetiaozhan。xianshiqidebiaozhunhuajiekoudedaikuanyaoqiuyuanyuanchaoguoshiyongheshishuliangdeguangouheqihuobiaozhunshuzigeliqikeyishixiandedaikuan。changshigelishipinjiekoudezhenggexinhaolianhuishifuzadujinyibuzengjia。liru
，HDMI 1.3a協議不止包含用於傳輸視頻數據的轉換最小化差模信號(TMDS)

，還包括用於交換視頻/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的雙向控製信號。5 zaitianjiaxitongshejirenyuanshiweizhangaidedianqigelishi，bixukaolvsuoyouzhexieyinsu。zaixuduoqingkuangxia，kenengwufashiyongzhiqiandefangfaweizhexiexianshiqiduankoutianjiaanquangelizha，suoyiyiliaoxitongzhongbubaohanwaibuxianshiqiduankou。ADI公司提供對常用的視頻協議（例如HDMI 1.3a）實施電氣隔離的 參考設計
，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，係統設 計人員可以使用ADN4654係列LVDS數字隔離器這種新選擇。這些器件提供雙通道隔離
，每個通道的數據速率高達1.1 Gbps，這代表著數字隔離在速度方麵的一大飛躍。它們采用20引腳SSOP封裝，提供2.2 Gbps總吞吐量，相比基於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

，對係統設計人員來說，這兩種方案都會產生開銷。

 

利用ADN4654的千兆數據速率，可以降低係統的複雜性，而且
，僅使用兩個設備即可實現4.4 Gbps帶寬。每個設備都有兩個通道，總共四個，每個通道都以1.1 Gbps運行。具備高通道帶寬之後
，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係統中
，空間和複雜性的改善得以兼顧。

 

以高於1 Gbps的速率運行的物理層接口具有嚴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（例如數字隔離器）的抖動和偏斜必須最小，以免影響係統性能。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在給定通道上能達到行業領先的偏斜性能
，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隻會帶來最少的抖動，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（偽隨機二進製序列）模式。模式運行長度少於23位
，這很常見

，而在編碼方案的運行長度更短的協議（例如8B/10B編碼）中，抖動性能得到改善
，改善後超過了這些值。

 

ADN4654/ADN4655/ADN4656器件利用內部LDO調節器來提供靈活的電源配置
，可用於多種通道配置。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（來自250 V rms電源）至IEC 60601標準。通過利用封裝將器件的爬電距離和間隙增加到大於8 mm，它們能夠作為2 MOPP隔離係統的組件使用。

 

圖5. 基於ADN4654的係統可以輕鬆隔離高帶寬接口。

 

根據電路筆記CN-0422隔離HDMI

 

在給視頻接口添加安全隔離時
，視頻協議本身的複雜性會成為一大挑戰。必須建議隔離各個視頻、kongzhihedianyuanxinhao，duiyushebeizhizaoshenglaishuo
，zheshiyigefeichangjishoudewenti。jichajiyongxingshejijiejuefanganbangzhusuoduanleshixiangongnengshejisuoxudexitongkaifashijian。

 

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準之一。HDMI之所以能大獲成功
，因歸功於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。結合 iCoupler? 技術，以跨越隔離柵傳輸所需的功率和高速視頻
，以及控製信號。

 

圖6. EVAL-CN0422-EBZ參考設計

，用於隔離HDMI 1.3a協議。
 

HDMI 1.3a協議中的視頻數據在四條TMSD線路中傳輸：三條數據線路

，一條時鍾線路。每條線路都必須單獨隔離。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，但可通過簡單的無源組件兼容符合LVDS要求的設備。這些無源組件結合兩個雙通道千兆ADN4654隔離LVDS收發器，以隔離全部四條TMDS線路。可以實現高達110 MHz的像素時鍾頻率，在幀率為60 Hz時
，支持720 p分辨率。

 

HDMI協議包含其他用於進行控製的低速信號：顯示數據通道(DDC)、消費電子控製(CEC)和熱插拔檢測(HPD)。DDC用於允許源極讀取來自EEPROM的顯示器EEID數據，並交換相關的格式化信息。CEC信號允許在多個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
，HPD由接收設備置位。這些控製信號都使用兩個 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的設計挑戰。

 

參考設計包括一個隔離式DC-DC電源轉換器 ADuM5020
，用於給隔離器件的顯示（接收）側供電。根據標準要求，275 mW會傳輸至HDMI電纜，以支持接收設備。參考設計用於隔離HDMI源設備，但可以輕鬆采用隔離電源電路來隔離HDMI接收設備。

 

工業以太網

 

對於機器視覺應用
，ADI公司的多協議以太網交換機、以太網物理層收發器，以及所有平台解決方案產品組合都確保實現無縫連接和運行效率。

 

ADI公司的 fido5100/fido5200 REM交換機係列包括兩個2端口工業以太網嵌入式交換機，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 通信控製器。

 

通過使用這些工業以太網嵌入式交換機，您可以選擇適合您應用的處理器類型，無需被迫使用特定供應商的協議棧。REM連接到處理器的內存總線
，看起來與該總線上的任何其他外設都一樣。REM的存儲周期降至32 ns（32位總線為125 Mbps）以支持EtherCAT的12.5 μs周期
，以及PROFINET IRT的31.25 μs周(zhou)期(qi)。數(shu)據(ju)使(shi)用(yong)優(you)先(xian)信(xin)道(dao)隊(dui)列(lie)在(zai)交(jiao)換(huan)機(ji)之(zhi)間(jian)來(lai)回(hui)傳(chuan)輸(shu)，因(yin)此(ci)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)可(ke)以(yi)無(wu)延(yan)遲(chi)地(di)中(zhong)斷(duan)非(fei)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)。這(zhe)些(xie)隊(dui)列(lie)由(you)交(jiao)換(huan)機(ji)驅(qu)動(dong)程(cheng)序(xu)管(guan)理(li)並(bing)與(yu)協(xie)議(yi)棧(zhan)接(jie)口(kou)

，以(yi)實(shi)現(xian)盡(jin)可(ke)能(neng)高(gao)效(xiao)的(de)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)。這(zhe)也(ye)意(yi)味(wei)著(zhe)應(ying)用(yong)軟(ruan)件(jian)不(bu)必(bi)費(fei)心(xin)管(guan)理(li)交(jiao)換(huan)機(ji)
，設(she)置(zhi)低(di)電(dian)平(ping)寄(ji)存(cun)器(qi)或(huo)跟(gen)蹤(zong)複(fu)雜(za)的(de)時(shi)間(jian)管(guan)理(li)過(guo)程(cheng)。

 

工gong業ye以yi太tai網wang嵌qian入ru式shi交jiao換huan機ji的de另ling一yi個ge性xing能neng優you勢shi是shi它ta們men的de優you先xian信xin道dao技ji術shu使shi其qi不bu會hui受shou到dao網wang絡luo加jia載zai的de影ying響xiang。該gai優you勢shi可ke確que保bao您nin的de應ying用yong程cheng序xu在zai任ren何he時shi候hou都dou能neng夠gou啟qi動dong並bing運yun行xing。REM交(jiao)換(huan)機(ji)對(dui)數(shu)據(ju)包(bao)進(jin)行(xing)智(zhi)能(neng)過(guo)濾(lv)，以(yi)防(fang)止(zhi)來(lai)自(zi)處(chu)理(li)器(qi)的(de)幹(gan)擾(rao)流(liu)量(liang)，根(gen)據(ju)處(chu)理(li)器(qi)負(fu)載(zai)管(guan)理(li)低(di)優(you)先(xian)級(ji)流(liu)量(liang)，並(bing)保(bao)證(zheng)及(ji)時(shi)發(fa)送(song)高(gao)優(you)先(xian)級(ji)數(shu)據(ju)包(bao)
，無(wu)需(xu)考(kao)慮(lv)總(zong)數(shu)據(ju)包(bao)負(fu)載(zai)。

 

ADI公司的 ADIN1100、ADIN1200和ADIN1300 工業以太網物理層器件(PHY)旨在實現嚴苛工業環境下的魯棒性。這些產品已經完成了廣泛的EMC和可靠性測試，適用於需要可預測和安全通信的應用。利用行業領先的低延遲和低功耗PHY技術
，該產品組合支持10 Mbps、100 Mbps和1 Gbps的數據速率。它們專門為最大限度地提高數據傳輸和信號完整性而開發
，采用小型封裝

，同時支持多個MAC接口。工業以太網物理層套件適合在擴展的工業環境溫度範圍內運行，可為當今和未來的工業以太網應用提供高水平可靠性。ADIN1100 10BASE-T1L PHY通過長達1 km的單根雙絞線提供10 Mbps以太網連接，且支持危險區域使用案例（本質安全區域0應用），這些案例有時稱為Ethernet-APL。ADIN1100為通過本質安全認證的器件提供以太網連接，例如在危險區域中運行的HMI、工業視頻攝像機和熱感攝像機。

 

ADI提供哪些首發產品
？

 

本(ben)文(wen)描(miao)述(shu)了(le)工(gong)業(ye)和(he)醫(yi)療(liao)應(ying)用(yong)中(zhong)安(an)全(quan)可(ke)靠(kao)的(de)高(gao)帶(dai)寬(kuan)視(shi)頻(pin)或(huo)攝(she)像(xiang)機(ji)接(jie)口(kou)的(de)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)，並(bing)討(tao)論(lun)了(le)在(zai)采(cai)用(yong)這(zhe)些(xie)接(jie)口(kou)的(de)同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)關(guan)鍵(jian)性(xing)能(neng)可(ke)使(shi)用(yong)的(de)重(zhong)要(yao)技(ji)術(shu)選(xuan)項(xiang)。ADI公司提供創新解決方案
，包括：

 

行業首款千兆數字隔離器係列ADN4654/ADN4655/ADN4656，提供了隔離高帶寬接口的新選項。

行業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，有助於降低成本和複雜性。

經測試符合規定的係統解決方案
，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。

整套工業以太網產品，包括技術
、解決方案
、軟件和安全功能，這些產品旨在將現實世界連接到工廠網絡，再連接到雲。

 

結論

 

ADIliyongqishenhoudelingyuzhuanyezhishihexianjinjishu
，bangzhuhezuohuobanlianjieweilaigongyetaojianhewangluo。xingyeshoukuanqianzhaodianqigelijishutigongtidaifangan，yongyuzaigezhongyiliaohegongyeyingyongzhonggelishipinheshexiangjijiekou。ADI公司的以太網解決方案利用TSN以太網交換機和低延遲、低功耗、長線纜的物理層收發器，確保在嚴苛的工業應用中可靠傳輸關鍵數據。