作者：ADI 公司 ｜ Richard Anslow 系統應用工程師；Neil Quinn 產品應用工程師

　　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，這對于所執行的任務至關重要。隨著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，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是指系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

　　視覺引導機器人可以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，機器人只能重復執行同樣的任務，直到被重新編程。有了機器視覺，機器人可以執行更加智能的任務，例如，在生產線中，可掃描傳送帶上的缺陷產品，并由經過調節的機器人撿取缺陷產品，如圖1所示。在危險性EMC環境（例如工廠自動化）中，視覺/機器人接口的可靠性和有效性由所選的有線傳輸技術決定。有多種方式可以實現機器視覺攝像機接口，包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link，或千兆以太網。

　　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勢。

　　圖1.攝像機機器視覺和機器人——以太網、USB或Camera Link接口

　　Camera Link要求工業控制器配備專用的幀捕獲器硬件。USB或以太網無需工業控制器配備額外的幀捕獲器卡。Camera Link這個標準最早出現于2000年末，是機器視覺系統最常用的接口。如今，基于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）交換機的工業控制器，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于時間控制數據路由的第一個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，以及系統級解決方案、軟件和安全功能。

　　表1.機器視覺攝像機的通信接口標準

　　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）的數據。標準HMI可用于追蹤生產時間，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電源軌的控制臺中，也可用于監控PLC。

　　使用HDMI時，電纜長度可達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。

　　要確保系統魯棒性，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。1如之前所述，利用基于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公司關于電磁隔離技術的最新進展（例如ADN4654 / ADN4655 / ADN4656 系列，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。

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

　　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確保患者的安全。上一代內窺鏡設備被稱為視頻內窺鏡，使用一系列玻璃鏡片和一個光導管將圖像從成像頭傳輸到電荷耦合器件（CCD）傳感器。以可見光為媒介，將來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量方面的表現并不理想。2

　　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，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量。生產成本降低，使得一次性外科內窺鏡的使用成為可能，如此則無需擔心消毒問題。攝像機進一步縮小，使得微創手術成為可能。3

　　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。因為不具備光學介質的隔離性，所以該系統在設計時，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，同時滿足這些嚴格的安全要求，這為系統設計人員帶來了重大挑戰。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，用于呼吸輔助和監測。關于患者的信息會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、可信的且已經過認證，可作為醫療設備使用。對于任何現成的外部電視和顯示器，則無法保證這一點。為了確保患者的安全，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）來說，這種隔離可能并不重要，可以使用標準數字隔離器來實現。

　　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。顯示器的標準化接口的帶寬要求遠遠超過使用合適數量的光耦合器或標準數字隔離器可以實現的帶寬。嘗試隔離視頻接口的整個信號鏈會使復雜度進一步增加。例如，HDMI 1.3a協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，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，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，每個通道的數據速率高達1.1 Gbps，這代表著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，對系統設計人員來說，這兩種方案都會產生開銷。

　　利用ADN4654的千兆數據速率，可以降低系統的復雜性，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中，空間和復雜性的改善得以兼顧。

　　圖5.基于ADN4654的系統可以輕松隔離高帶寬接口

　　以高于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，以免影響系統性能。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器件利用內部LDO調節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于8 mm，它們能夠作為2 MOPP隔離系統的組件使用。

　　根據電路筆記CN-0422隔離HDMI

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

　　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。結合iCoupler?技術，以跨越隔離柵傳輸所需的功率和高速視頻，以及控制信號。

　　圖6.EVAL-CN0422-EBZ參考設計，用于隔離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，一條時鐘線路。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的像素時鐘頻率，在幀率為60 Hz時，支持720 p分辨率。

　　HDMI協議包含其他用于進行控制的低速信號：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自EEPROM的顯示器EEID數據，并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，用于給隔離器件的顯示（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。參考設計用于隔離HDMI源設備，但可以輕松采用隔離電源電路來隔離HDMI接收設備。

　　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，以及所有平臺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交換機系列包括兩個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通信控制器。

　　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周期。數據使用優先信道隊列在交換機之間來回傳輸，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管理并與協議棧接口，以實現盡可能高效的數據傳輸。這也意味著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間管理過程。

　　工業以太網嵌入式交換機的另一個性能優勢是它們的優先信道技術使其不會受到網絡加載的影響。該優勢可確保您的應用程序在任何時候都能夠啟動并運行。REM交換機對數據包進行智能過濾，以防止來自處理器的干擾流量，根據處理器負載管理低優先級流量，并保證及時發送高優先級數據包，無需考慮總數據包負載。

　　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，適用于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范圍內運行，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？

　　本文描述了工業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保持關鍵性能可使用的重要技術選項。ADI公司提供創新解決方案，包括：

• 　　行業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，再連接到云。

　　結論

　　ADI利用其深厚的領域專業知識和先進技術，幫助合作伙伴連接未來工業套件和網絡。行業首款千兆電氣隔離技術提供替代方案，用于在各種醫療和工業應用中隔離視頻和攝像機接口。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。

　　參考資料

　　1 Bob?！?018年，PROFINET和PROFIBUS節點的數量超過8700萬?！盤rofibus Group。2019年5月16日。

　　2 Danny Scheffer。“內窺鏡使用CMOS成像傳感器。”視覺系統設計。2007年7月30日。

　　3 Ricardo A. Natalin、Jaime Landman。“對于內窺鏡，下一步要做什么？”Medscape。

　　4 Dave Wilson?！跋乱淮鷪D像傳感器?！盢ovusLight。2016年11月28日。

　　5 HDMI 1.3a規范。

　　作者簡介

　　Richard Anslow是ADI公司自動化與能源事業部互連運動和機器人團隊的系統應用工程師。他的專長領域是基于狀態的監測和工業通信設計。他擁有愛爾蘭利默里克大學頒發的工程學士學位和工程碩士學位。

　　Neil Quinn是ADI公司的產品應用工程師，是愛爾蘭利默里克的接口和隔離技術部的一員。Neil 2013年獲得美國國立梅努斯大學電子工程學士學位。他主要研究工業和高速通信接口，例如RS-485和LVDS，以及ADI的iCoupler數字隔離產品。