作者：Richard Anslow and Neil Quinn

工業4.0的基礎是可靠的通信基礎設施。此基礎結構使決策者能夠從機器、現場設備和工廠中提取數據。確保機器人和人機界面的可靠性需要對底層技術選項有很好的了解。

雖然工廠車間和醫療手術室幾乎沒有共同之處，但這兩個區域使用的設備必須提供可靠和精確的操作，這通常是關鍵任務。隨著對更智能系統、更多數據和更高保真度的需求，帶寬要求也在增加。同時，更快的通信接口必須提供相同的可靠性和安全性，以抵御環境危害和電磁兼容性（EMC）。EMC是系統在其操作環境中按預期運行的能力，而不會產生或受到電噪聲的不當影響。

機器人和機器視覺

視覺引導機器人在高價值制造環境中提供更高的靈活性和更高的生產可靠性。如果沒有視覺引導，機器人只能重復相同的任務，直到它被重新編程。借助機器視覺，機器人可以執行更智能的任務，例如，在生產線中，可以掃描傳送帶以查找有缺陷的產品，機器人進行調整以拾取有缺陷的零件，如圖 1 所示。在工廠自動化等危險的EMC環境中，視覺/機器人接口的可靠性和有效性取決于所選的有線鏈路技術。有幾種方法可以實現機器視覺相機接口，包括 USB 2.0、USB 3.0、相機鏈接或千兆以太網。

圖1.相機機器視覺和機器人，帶以太網、USB 或相機鏈接接口。

表 1 使用幾個關鍵指標比較了 USB、以太網和相機鏈路標準。工業以太網具有許多優勢，2 對 100BASE-TX 和 4 對 1000BASE-T1 的最長電纜距離可達 100 米，新的 10BASE-T1L 標準在具有高 EMC 性能的單根雙絞線上的最長電纜距離可達 1 公里。使用 USB 2.0 或 USB 3.0 的電纜距離限制為 5 米或更小，除非使用專門的有源 USB 電纜，并且需要使用保護二極管和濾波來提高 EMC 性能。然而，工業控制器上無處不在的USB端口和高達5 Gbps的帶寬為設計人員提供了一些優勢。

Camera Link 需要工業控制器上的專用圖像采集卡硬件。USB或以太網不需要在工業控制器中使用額外的圖像采集卡。Camera Link作為標準于2000年底首次推出，是機器視覺系統中最常用的接口。如今，基于 USB 和以太網的機器視覺相機的使用更加廣泛，但 Camera Link 和圖像采集卡仍用于需要對多個相機進行預處理以減少主 CPU 負載的應用。與千兆以太網相比，即使在基本速度下，Camera Link 標準也能推送兩倍的數據，盡管距離更短。Camera Link 物理層基于低壓差分信號 （LVDS），由于與接收器處有效抵消的每根導線的共模噪聲耦合，因此具有固有的 EMC 魯棒性。LVDS物理層的EMC魯棒性可以通過磁隔離來提高。

使用相機和機器人鏈路上的以太網以及使用 IEEE 802.1 時間敏感網絡 （TSN） 交換機的工業控制器，可以最好地實現工業相機和機器人動作之間的時間同步。TSN為交換以太網網絡中的時間控制數據路由定義了第一個IEEE標準。ADI公司提供一整套以太網技術，包括物理層收發器和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）

人機界面 （HMI） 通常用于以人類可讀的視覺表示形式顯示來自可編程邏輯控制器 （PLC） 的數據。標準HMI可用于跟蹤生產時間，同時監控關鍵績效指標（KPI）和機器產量。操作員可以使用HMI執行各種任務，包括關閉或打開開關，以及增加或減少過程的壓力或速度。帶有集成顯示屏的人機界面很常見;但是，具有外部顯示選項的HMI具有一些優勢。帶有外部高清多媒體接口（HDMI）端口的HMI單元更小，可以使用標準DIN導軌輕松放置在控制架上，該導軌也用于安裝受監控的PLC。?

HDMI的電纜長度可達15米，可輕松布線到觸摸屏監視器和控制室，如圖2所示。在工業環境中，在更長的電纜上擴展HDMI可能具有挑戰性，EMC危害會影響布線。當電機和泵連接到DIN導軌安裝的PLC時，HMI上也可能存在間接瞬態過電壓。

圖2.具有以太網和RS-485輸入以及HDMI輸出的人機界面（HMI）。

確保系統穩健性需要仔細選擇接口技術。現場總線技術，如CAN或RS-485，很常見，工業以太網發展迅速。行業消息人士稱，全球安裝了超過6100萬個RS-485（PROFIBUS）節點，其中PROFIBUS過程自動化（PA）同比增長7%。PROFINET（工業以太網實施）的安裝基礎為 2600 萬個節點，僅在 2018 年就安裝了 510 萬臺設備。?1如前所述，基于以太網的技術可以實現高EMC性能，因為磁性元件已寫入IEEE 802.3以太網標準，并且必須在每個節點上使用。RS-485器件可以包括磁隔離以提高抗噪能力，保護二極管可以集成在片上，或放置在通信PCB上，以提高對靜電放電和瞬態過電壓的魯棒性。

HMI通常具有靜電放電保護，并使用ESD保護二極管提高信號魯棒性。對于工業HMI，集成的強化隔離可以保護操作員免受電氣危害。雖然以太網和RS-485提供了合理的隔離解決方案，但如今的視頻鏈路使用能夠實現千兆傳輸速度的昂貴光纖進行隔離。ADI公司在磁隔離技術方面的最新進展，例如能夠超過1 Gbps的數據速率的ADN4654/ADN4655/ADN4656系列，為設計人員提供了一種極具吸引力的低成本替代方案。

內 鏡

手術成像（包括內窺鏡檢查）是一種獨特的應用，必須滿足提供高保真圖像的挑戰，同時還要確保患者的安全。上一代內窺鏡設備，稱為視頻內窺鏡，使用一系列玻璃透鏡和光導體，使圖像從成像頭傳輸到電荷耦合器件（CCD）傳感器。使用可見光作為介質將圖像從患者傳輸到內窺鏡提供了對有害電流的固有隔離，但在制造成本和圖像質量方面存在顯著缺點。2

最近的手術成像設備已經轉向數字化以克服這些挑戰，從CCD切換到CMOS傳感器，該傳感器可以輕松縮放尺寸并嵌入到相機頭中。CMOS相機消除了對多個鏡頭串聯的需求，提高了整體圖像質量。制造成本的降低使一次性手術鏡成為可能，消除了滅菌的挑戰。攝像頭的進一步小型化使得侵入性更小的手術。3

隨著數字內窺鏡的轉變，與患者接觸的CMOS圖像傳感器與相機控制單元（CCU）之間需要高速電氣接口。LVDS和可擴展低壓信號（SLVS）已成為這種互連的流行物理層，提供高帶寬和相對較低的功耗。4與視頻內窺鏡不同，該接口現在是電動的，并且有可能傳導危險電流。在沒有光學介質固有隔離的情況下，系統必須設計為將患者與任何潛在有害的電流分開。

圖3.帶有CMOS圖像傳感器的數字內窺鏡中的電氣接口。

在任何連接到主電源的醫療系統中，患者的安全至關重要。IEC 60601 醫療電氣設備標準對提供患者保護 （MOPP） 免受有害電壓影響的組件提出了嚴格要求。系統設計人員在實施高帶寬解決方案以傳輸成像數據的同時，又要滿足這些嚴格的安全要求，面臨著重大挑戰。從CMOS圖像傳感器到內窺鏡CCU的電子視頻鏈路就是需要符合安全標準的高速連接的一個例子。ADI公司提供獨特的解決方案，用于跨越可信的安全屏障實現這種高帶寬鏈路，以滿足IEC 60601-1標準的要求。

醫療顯示器

其他醫療設備，如呼吸機和心電圖（ECG），與患者直接連接，用于呼吸輔助和監測。有關患者的信息顯示在圖形顯示屏上，該顯示屏包含在醫療設備本身中。這件醫療設備內部的顯示器是眾所周知的、值得信賴的，并且經過認證，可用作符合IEC 60101標準的醫療設備。對于任何現成的外部電視機和顯示器，都不能保證這一點。為確保患者安全，從醫療設備到外圍設備的任何外部連接也應為患者保護提供屏障。這種隔離對于RS-232、RS-485和CAN等傳統低速接口來說微不足道，可以使用標準數字隔離器實現。

另一方面，將視頻端口與外部顯示器隔離帶來了獨特的挑戰。顯示器標準化接口的帶寬要求遠遠超過使用合理數量的光耦合器或標準數字隔離器所能實現的帶寬要求。當試圖隔離視頻接口的整個信號鏈時，增加了進一步的復雜性。例如，HDMI 1.3a協議不僅包括用于傳輸視頻數據的轉換最小化差分信號（TMDS），還包括用于交換視頻/格式信息、電源電路以及檢測顯示（灌）設備的連接和斷開的雙向控制信號。5在添加電流隔離時，必須考慮所有這些因素，這對系統設計人員構成了障礙。在許多情況下，使用以前的方法在這些顯示端口上添加安全隔離柵是不可行的，因此醫療系統中不包括外部顯示端口。ADI公司為HDMI 1.3a等常用視頻協議的電流隔離提供參考設計，可在需要患者保護的情況下提供額外的安全保護。

千兆數字隔離

ADN4654系列LVDS數字隔離器是視頻和相機應用需要高帶寬和可信安全性的系統設計人員的新選擇。這些器件具有兩個隔離通道，每通道數據速率高達1.1 Gbps，代表了數字隔離速度能力的重大飛躍。20引腳SSOP封裝的總吞吐量為2.2 Gbps，與基于傳統數字隔離器的解決方案相比，可顯著節省面積。

圖4.ADN4654千兆位LVDS隔離器框圖

為了說明這一點，請考慮一個以 60 Hz 傳輸 24 位顏色的視頻鏈路，分辨率為 1920 × 1080 （1080 p）。為了跨越隔離柵傳輸所需的信息，需要4.4 Gbps的總帶寬。典型的光纖解決方案具有足夠的帶寬，但從銅介質到光纖的轉換需要串行器、解串器和電光轉換器。使用標準數字隔離器的解決方案還需要一個串行器、一個解串器和30多個隔離通道，每個通道的工作速率為150 Mbps。在為簡單的高帶寬接口添加隔離時，這兩種解決方案都會給系統設計人員帶來開銷。

通過利用ADN4654的千兆位數據速率，可以降低系統的復雜性，只需使用兩個器件即可實現4.4 Gbps帶寬。每個設備有兩個通道，總共四個通道，每個通道以 1.1 Gbps 的速度運行。高通道帶寬可以消除信號鏈中任何SERDES模塊的需要。在必須隔離多個視頻接口的系統中，空間和復雜性的改進更加復雜。

運行在 1 Gbps 以上的物理層接口具有嚴格的峰值抖動和偏斜要求，以確保可靠的通信。添加到信號鏈中的任何元件（如數字隔離器）都必須產生最小的抖動和偏斜，以避免影響系統性能。過多的抖動和偏斜會影響接收器的采樣裕量，并增加整體誤碼率。ADN4654具有業界領先的偏斜性能，在給定通道上最大為100 ps，器件間為600 ps，非常適合隔離這些高帶寬接口。ADN4654采用PRBS-23（偽隨機二進制序列）模式時，最大隨機抖動性能為4.8 ps rms，最大峰峰值確定性抖動為116 ps。碼型運行長度小于 23 位是常見的，在具有較低運行長度的編碼方案（如 8B/10B 編碼）的協議中，抖動性能會提高到超過這些值。

ADN4654/ADN4655/ADN4656器件內置LDO穩壓器，可實現靈活的電源配置，并提供多種通道配置。ADN4654采用20引腳寬體SOIC封裝或節省空間的20引腳SSOP封裝。SOIC 封裝具有 5 kV rms 隔離和 7.8 mm 爬電距離和電氣間隙，使這些器件適用于 1 MOPP，電源范圍為 250 V rms 至 IEC 60601 標準。通過灌封將器件爬電距離和間隙提高到 8 mm 以上，它們可以用作 2 MOPP 絕緣系統中的組件。

圖5.基于 ADN4654 的系統可輕松隔離高帶寬接口。

使用電路筆記CN-0422隔離HDMI

當面臨為視頻接口添加安全隔離的任務時，視頻協議本身的復雜性成為一個挑戰。必須設計一種隔離每個視頻、控制和電源信號的解決方案，這給設備制造商帶來了麻煩。即插即用的參考設計解決方案可縮短實現功能設計所需的系統開發時間。

自2002年底發布以來，HDMI已成為商用高清電視和顯示器的事實標準之一。HDMI的廣泛成功可歸因于其功能集和可靠的互操作性。

EVAL-CN0422-EBZ 參考設計可作為嵌入式解決方案，適用于希望為現有 HDMI 1.3a 視頻端口添加電流隔離的用戶。我耦合器隔離技術相結合，通過絕緣柵傳輸必要的電源和高速視頻和控制信號。?

圖6.用于隔離 HDMI 1.3a 協議的 EVAL-CN0422-EBZ 參考設計。

HDMI 1.3a協議中的視頻數據通過四個TMDS通道傳輸：三個數據通道和一個時鐘通道。這些車道中的每一個都必須單獨隔離。傳統的數字隔離器既不支持TMDS的高帶寬，也不支持TMDS的差分特性，因此不適合。雖然TMDS與LVDS略有不同，但可以使用簡單的無源元件來與LVDS兼容器件兼容。這些無源元件與兩個雙通道千兆位ADN4654隔離LVDS收發器配合使用，以隔離所有四個TMDS通道。可實現高達 110 MHz 的像素時鐘頻率，以 60 Hz 的幀速率支持 720 p 分辨率。

HDMI協議包含用于控制目的的其他低速信號：數據顯示通道（DDC），消費電子控制（CEC）和熱插拔檢測（HPD）。DDC 用于允許源從 EEPROM 讀取顯示 EEID 數據并交換相關的格式信息。CEC 信號允許在多個連接的源和接收器設備之間共享功能。當接收器設備檢測到連接的源時，接收器設備會斷言 HPD，從而向連接的設備發出信號。這些控制信號均使用兩個ADuM1250器件進行隔離，并在需要時提供這些信號的雙向隔離。使用ADuM1250大大簡化了與實現雙向隔離通道相關的設計挑戰。

該參考設計包括一個隔離式DC-DC電源轉換器ADuM5020，用于為隔離器件的顯示（灌電流）側供電。根據標準要求，HDMI電纜還提供275 mW以支持接收器設備。該參考設計是現成的用于隔離HDMI源器件，但可以很容易地采用隔離電源電路來隔離HDMI接收器件。

工業以太網

對于機器視覺應用，ADI公司的多協議以太網交換機、以太網物理層收發器以及全平臺解決方案產品組合可確保無縫連接和運營效率。

ADI公司的fido5100/fido5200 REM開關系列包括兩個2端口工業以太網嵌入式交換機，可連接任何處理器（包括任何Arm CPU）和ADI公司的fido1100通信控制器。?

這些工業以太網嵌入式交換機經過精心設計，您可以選擇適合您應用的處理器類型，而不必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，看起來就像該總線上的任何其他外設一樣。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周期時間和PROFINET IRT的31.25 μs周期時間。數據使用優先通道隊列在交換機之間傳輸，因此實時數據傳輸可以無延遲地中斷非實時數據傳輸。這些隊列由交換機驅動程序和協議棧接口管理，以實現最有效的數據傳輸。這也意味著應用軟件不必擔心管理交換機、設置低電平寄存器或跟蹤復雜的時間管理流程。

工業以太網嵌入式交換機的另一個性能優勢是其優先通道技術使其不受網絡負載影響。此優勢可確保您的應用程序始終處于啟動和運行狀態。REM 交換機智能過濾數據包，以阻止來自處理器的不需要的流量，根據處理器的負載管理低優先級流量，并保證及時傳遞高優先級數據包，無論整體數據包負載如何。

ADI公司的ADIN1100、ADIN1200和ADIN1300工業以太網物理層器件（PHY）專為惡劣工業環境中的魯棒性而設計。 這些產品已完成廣泛的EMC和穩健性測試，非常適合需要可預測和安全通信的應用。憑借業界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。 它們旨在最大限度地提高數據傳輸和信號完整性，支持多個 MAC 接口，同時采用小型封裝。工業以太網 PHY 設計用于在擴展的工業環境溫度范圍內運行，為當今和未來的工業以太網應用提供最高級別的可靠性。ADIN1100 10BASE-T1L PHY 通過單根雙絞線電纜提供 10 Mbps 以太網連接，最長可達 1 km，并支持危險區域用例（本質安全 0 區應用），有時稱為以太網 APL。ADIN1100為本質安全認證器件提供以太網連接，包括工作在危險區域的HMI、工業攝像機和熱成像攝像機。

ADI提供哪些尚未推出的產品？

本文介紹了工業和醫療應用中安全可靠的高帶寬視頻或攝像頭接口的應用要求，并討論了在保持關鍵性能的同時實現這些接口的關鍵技術選項。ADI公司提供創新的解決方案，包括：

業界首款千兆數字隔離器系列ADN4654/ADN4655/ADN4656，為隔離高帶寬接口提供了新的選擇。

業界首款電隔離視頻和攝像頭端口，與笨重的光纖解決方案相比，成本和復雜性更低。

經過系統合規性測試的解決方案，可減少測試和合規性難題。一個例子是經過HDMI標準測試的參考設計。

一整套工業以太網產品，包括技術、解決方案、軟件和安全功能，旨在將現實世界連接到工廠網絡，并進一步連接到云。

結論

ADI公司深厚的領域專業知識和先進技術可幫助合作伙伴連接未來的工業設備和網絡。業界首創的千兆電流隔離技術為隔離各種醫療和工業應用中的視頻和攝像頭接口提供了替代方法。ADI公司的以太網解決方案采用TSN以太網交換機和低延遲、低功耗、長電纜到達物理層收發器，確保在惡劣的工業應用中可靠地傳輸關鍵數據。

審核編輯：郭婷