從物聯(lián)網(wǎng)工廠(chǎng)到手術(shù)室：設計更好的通訊系統

工業(yè)4.0的基礎是可靠的通訊基礎設施。決策者透過(guò)基礎設施從機器、現場(chǎng)設備和工廠(chǎng)提取資料。而要保證機器人和人機接口的可靠性，則先要深入了解底層技術(shù)選項。
生產(chǎn)廠(chǎng)房和手術(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)非常重要。隨著(zhù)裝置需要更智能的系統、更多數據和更高的保真度，其對帶寬的需求也不斷增加。與此同時(shí)，速度更快的通訊接口必須在抵抗環(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，不產(chǎn)生電噪聲，也不被電噪聲過(guò)度影響。

機器人和機器視覺(jué)
視覺(jué)引導機器人可以在高價(jià)值制造環(huán)境中提供更高的彈性和更高的生產(chǎn)可靠性。如果沒(méi)有視覺(jué)引導，機器人只能重復執行同樣的任務(wù)，直到被重新編程。有了機器視覺(jué)，機器人可以執行更加智能的任務(wù)，例如，在生產(chǎn)線(xiàn)中，可掃描輸送帶上的缺陷產(chǎn)品，并由經(jīng)過(guò)調節的機器人撿取缺陷產(chǎn)品，如圖1所示。在危險性EMC環(huán)境（例如工廠(chǎng)自動(dòng)化）中，視覺(jué)/機器人接口的可靠性和有效性由所選的有線(xiàn)傳輸技術(shù)決定。有多種方式可以實(shí)現機器視覺(jué)攝影機接口，包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link，或千兆位以太網(wǎng)絡(luò )。

 

圖一 : 攝影機機器視覺(jué)和機器人—以太網(wǎng)絡(luò )、USB或Camera Link接口

表一對比了USB、以太網(wǎng)絡(luò )和Camera Link標準的幾大關(guān)鍵指標。工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )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公尺，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公尺，除非使用專(zhuān)門(mén)的主動(dòng)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埠，且帶寬最高達到5 Gbps，這為設計人員提供了一些優(yōu)勢。

Camera Link要求工業(yè)控制器配備專(zhuān)用的訊框擷取硬件。USB或以太網(wǎng)絡(luò )無(wú)需工業(yè)控制器配備額外的訊框擷取卡。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)絡(luò )的機器視覺(jué)攝影機的使用更加廣泛，但是，需要對多個(gè)攝影機實(shí)施預先處理的應用仍在使用Camera Link和ㄒ訊框擷取器，以降低主CPU負載。相較于千兆位以太網(wǎng)絡(luò )，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訊號（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穩固性。LVDS物理層的EMC穩固性可透過(guò)電磁隔離進(jìn)行改善。
透過(guò)在攝影機和機器人鏈接上使用以太網(wǎng)絡(luò )，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，可以大幅實(shí)現工業(yè)攝影機和機器人操作同步。TSN定義了交換式以太網(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)絡(luò )技術(shù)，包含物理層收發(fā)器和TSN交換機，以及系統級解決方案、軟件和安全功能。

人機界面（HMI）
人機接口（HMI）常用于透過(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通常配備整合式顯示屏；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公尺，便于路由到觸控顯示屏幕和控制室，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)。在馬達和泵連接至DIN軌道式PLC時(shí)，HMI上也可能出現間接瞬變過(guò)壓。

 
圖二 : 具備以太網(wǎng)絡(luò )和RS-485輸入，以及HDMI輸出的人機接口（HMI）。

要確保系統穩固性，就需要仔細選擇接口技術(shù)。隨著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )迅速發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)（例如CAN或RS-485）越來(lái)越普及。據產(chǎn)業(yè)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）裝置同比成長(cháng)7%。PROFINET（工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )實(shí)施）安裝基數為2600萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)，僅2018年安裝的組件數量就達到510萬(wàn)。[1]
如之前所述，利用基于以太網(wǎng)絡(luò )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)絡(luò )標準，且必須在每個(gè)節點(diǎn)使用。RS-485組件可以包含電磁隔離，以提高抗噪聲能力；保護二極管可以整合在芯片內，或者置于通訊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)提高訊號穩固性。對于工業(yè)HMI，整合增強隔離可保護操作人員免除電氣危險。雖然目前提供了因應以太網(wǎng)絡(luò )和RS-485的合理的隔離解決方案，但如今，影像傳輸主要利用成本高昂的光纖來(lái)隔離，這些光纖支持千兆位傳輸速度。ADI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。
內視鏡
外科成像，包括內視鏡在內，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?。上一代內視鏡設備被稱(chēng)為影像內視鏡，其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組件（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視鏡，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。[2]
近期的外科成像設備透過(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，且可嵌入攝影機頭部。使用CMOS攝影機之后，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，使得一次性外科內視鏡的使用成為可能，如此則無(wú)需擔心消毒問(wèn)題。攝影機進(jìn)一步縮小，使得微創(chuàng )手術(shù)成為可能。[3]
在轉向數字內視鏡之后，CMOS圖像傳感器（接觸患者）和攝影機控制器（CCU）之間必須提供高速電子接口。LVDS和可擴展低壓訊號（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。[4] 這種接口與影像內視鏡中的接口不同，目前其為電子式，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。


 
圖三 : 帶CMOS圖像傳感器的數字內視鏡的電子接口。

對于任何連接主電源的醫療系統而言，患者的安全是至高無(wú)上的。IEC 60601醫療電機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圖像傳感器到內視鏡CCU之間的電子影像傳輸就是這樣一個(gè)示例，兩者之間需要建立符合安全要求的高速連接。ADI的獨有解決方案在可信的安全范圍內執行高帶寬傳輸，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 )顯示在醫療設備內建的圖形顯示器中，便于操作人員查看。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。嘗試隔離影像界面的整個(gè)訊號鏈會(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影像數據的轉換最小化差模訊號（TMDS），還包括用于交換影像/格式信息、電源電路，以及檢測顯示（接收器）裝置之間的連接和斷開(kāi)的雙向控制訊號。[5]
在增加系統設計人員視為障礙的電機隔離時(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埠增加安全隔離閘，所以醫療系統中不包含外部顯示器埠。ADI提供對常用的影像協(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。

Gigabit數字隔離
當影像和攝影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。這些組件提供雙信道隔離，每個(gè)信道的數據速率高達1.1 Gbps，這代表數字隔離在速度方面的一大躍進(jìn)。它們采用20接腳SSOP封裝，提供2.2 Gbps總吞吐量，相較于基于傳統的數字隔離器的解決方案，其體積大幅減小。



 
圖四 : ADN4654千兆LVDS隔離器框圖。

以影像鏈接為例，可以在60 Hz下傳輸24位的顏色，分辨率為1920 ×1080 （1080 p）。要跨越隔離閘傳輸所需的信息，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，需要用到串行化器、反串行化器和電光轉換器。使用標準數字隔離器的解決方案還需要用到串行化器、反串行化器，以及30個(gè)以上的信道隔離，每個(gè)信道以150 Mbps運行。為簡(jiǎn)單的高帶寬接口增加隔離時(shí)，對系統設計人員來(lái)說(shuō)，這兩種方案都會(huì )產(chǎn)生成本。
利用ADN4654的Gigabit數據速率，可以降低系統的復雜性，而且，僅使用兩個(gè)裝置即可實(shí)現4.4 Gbps帶寬。每項裝置都有兩個(gè)信道，總共四個(gè)，每個(gè)通道都以1.1 Gbps運行。具備高信道帶寬之后，則不再需要訊號鏈中的任何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，以保證可靠通訊。增加至訊號鏈的任何組件（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 )影響接收器的采樣余裕，增加總體誤碼率。ADN4654在給定通道上能達到業(yè)界領(lǐng)先的偏斜性能，最大100 ps，組件與組件之間則為600 ps，因此非常適合隔離這些高帶寬接口。ADN4654帶來(lái)最少的抖動(dòng)，最大的隨機抖動(dòng)性能為4.8 ps rms，最大的峰對峰值確定抖動(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組件利用內部LDO調節器來(lái)提供彈性的電源方案，可用于多種信道配置。ADN4654采用20接腳寬體SOIC封裝，或者節省空間的20接腳SSOP封裝。SOIC封裝提供5 kV rms隔離和7.8 mm爬電距離和間隙，使得這些組件適合1 MOPP（來(lái)自250 V rms電源）至IEC 60601標準。透過(guò)利用封裝將組件的爬電距離和間隙增加到大于8 mm，其能夠作為2 MOPP隔離系統的組件使用。


 
圖五 : 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
在為影像接口增加安全隔離時(shí)，影像協(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)影像、控制和電源訊號，而對于設備制造商來(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已成為商用高分辨率電視和顯示器的實(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，適合想要為現有的HDMI 1.3a視頻端口增加電氣隔離功能的用戶(hù)。結合 iCoupler 技術(shù)，以跨越隔離閘傳輸所需的功率和高速影像，以及控制訊號。


 
圖六 : EVAL-CN0422-EBZ參考設計，用于隔離HDMI 1.3a協(xié)議。

HDMI 1.3a協(xié)議中的影像數據在四條TMSD線(xiàn)路中傳輸：三條資料線(xiàn)路，一條頻率線(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，但可透過(guò)簡(jiǎn)單的被動(dòng)組件兼容符合LVDS要求的裝置。這些被動(dòng)組件結合兩個(gè)雙信道Gigabit 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的像素頻率頻率，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)行控制的低速訊號：顯示數據信道（DDC）、消費電子控制（CEC）和熱插入檢測（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訊號允許在多個(gè)連接的源裝置和接收裝置之間共享功能。檢測到HPD具有附加源（表示有與之相連的組件）時(shí)，HPD由接收裝置置位。這些控制訊號都使用兩個(gè) ADuM1250 組件隔離，在必要時(shí)，可以對這些訊號實(shí)施雙向隔離。使用ADuM1250可以大幅簡(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，用于為隔離組件的顯示（接收）側供電。根據標準要求，275 mW會(huì )傳輸至HDMI電纜，以支持接收裝置。參考設計用于隔離HDMI源裝置，但可以輕松采用隔離電源電路來(lái)隔離HDMI接收裝置。

工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )
對于機器視覺(jué)應用，ADI的多協(xié)議以太網(wǎng)絡(luò )交換器、以太網(wǎng)絡(luò )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的 fido5100/fido5200 REM交換器系列包括兩個(gè)2端口工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )嵌入式交換器，這兩個(gè)交換器可連接到任何處理器，包括任何ArmR CPU和ADI的 fido1100 通訊控制器。
透過(guò)使用這些工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )嵌入式交換器，可以選擇適合您應用的處理器類(lèi)型，無(wú)需被迫使用特定供貨商的協(xié)議堆棧。REM連接到處理器的內存總線(xiàn)，看起來(lái)與該總線(xiàn)上的任何其他周邊裝置都一樣。REM的儲存周期降至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)先信道隊列在交換器之間來(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)議堆棧接口，以實(shí)現盡可能高效的數據傳輸。這也表示應用軟件不必費心管理交換機，設定低位準緩存器或追蹤復雜的時(shí)間管理過(guò)程。
工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )嵌入式交換機的另一個(gè)性能優(yōu)勢，是其優(yōu)先通道技術(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交換機對數據封包進(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)先級數據封包，無(wú)需考慮總數據封包負載。
ADI的 ADIN1100、ADIN1200和ADIN1300 工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )物理層組件（PHY）目的在實(shí)現嚴苛工業(yè)環(huán)境下的穩固性。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訊的應用。利用業(yè)界領(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。其專(zhuān)為大幅提高數據傳輸和訊號完整性而開(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)絡(luò )物理層套件適合在擴展的工業(yè)環(huán)境溫度范圍內運行，可為目前及未來(lái)的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )應用提供高水平可靠性。ADIN1100 10BASE-T1L PHY透過(guò)長(cháng)達1 km的單根雙絞線(xiàn)提供10 Mbps以太網(wǎng)絡(luò )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)安全認證的組件提供以太網(wǎng)絡(luò )連接，例如在危險區域中運行的HMI、工業(yè)影像攝影機和熱感應攝影機。

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影像或攝影機接口的應用要求，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提供創(chuàng )新解決方案，包含：
●業(yè)界首款Gigabit數字隔離器系列ADN4654/ADN4655/ADN4656，提供隔離高帶寬接口的新選項。

●業(yè)界首款電氣隔離影像及攝影機端口，相較于龐大的光纖解決方案，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。范例之一就是根據HDMI標準測試的 參考設計。

●整套工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品，包含技術(shù)、解決方案、軟件和安全功能，這些產(chǎn)品目的在將現實(shí)世界連接到工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，再連接到云端。

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 )。業(yè)界首款Gigabit電氣隔離技術(shù)提供替代方案，用于在各種醫療和工業(yè)應用中隔離影像和攝影機接口。ADI的以太網(wǎng)絡(luò )解決方案利用TSN以太網(wǎng)絡(luò )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。
（本文作者為ADI系統應用工程師Richard Anslow 及產(chǎn)品應用工程師Neil Quinn）

參考電路
[1] Bob. “PROFINET and PROFIBUS Node Count Tops 87 Million in 2018.” Profibus Group. May 16, 2019.
[2] Danny Scheffer. “Endoscopes Use CMOS Image Sensors.” Vision Systems Design. July 30, 2007.
[3] Ricardo A. Natalin and Jaime Landman. “Where Next for the Endoscope?” Medscape.
[4] Dave Wilson. “Next-Generation Image Sensors.” NovusLight. November 28, 2016.
[5] HDMI 1.3a specification.