從物聯網工廠到手術室：設計更好的通訊系統

工業4.0的基礎是可靠的通訊基礎設施。決策者透過基礎設施從機器、現場設備和工廠提取資料。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選項。
生產廠房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非常重要。隨著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，速度更快的通訊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，不產生電噪聲，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彈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，可掃描輸送帶上的缺陷產品，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影機接口，包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link，或千兆位以太網絡。

 

圖一 : 攝影機機器視覺和機器人—以太網絡、USB或Camera Link接口

表一對比了USB、以太網絡和Camera Link標準的幾大關鍵指標。工業以太網絡具有多種優勢，采用2對100BASE-TX和4對1000BASE-T1標準的線纜最長可達100公尺，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公尺，除非使用專門的主動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埠，且帶寬最高達到5 Gbps，這為設計人員提供了一些優勢。

Camera Link要求工業控制器配備專用的訊框擷取硬件。USB或以太網絡無需工業控制器配備額外的訊框擷取卡。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和以太網絡的機器視覺攝影機的使用更加廣泛，但是，需要對多個攝影機實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絡，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穩固性。LVDS物理層的EMC穩固性可透過電磁隔離進行改善。
透過在攝影機和機器人鏈接上使用以太網絡，以及采用IEEE 802.1時間敏感網絡（TSN）交換機的工業控制器，可以大幅實現工業攝影機和機器人操作同步。TSN定義了交換式以太網絡中用于時間控制數據路由的第一個IEEE標準。ADI提供全套以太網絡技術，包含物理層收發器和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）
人機接口（HMI）常用于透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通常配備整合式顯示屏；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。在馬達和泵連接至DIN軌道式PLC時，HMI上也可能出現間接瞬變過壓。

 
圖二 : 具備以太網絡和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。隨著工業以太網絡迅速發展，現場總線技術（例如CAN或RS-485）越來越普及。據產業消息，全球安裝的RS-485 （PROFIBUS）節點已超過6100萬個，PROFIBUS過程自動化（PA）裝置同比成長7%。PROFINET（工業以太網絡實施）安裝基數為2600萬個節點，僅2018年安裝的組件數量就達到510萬。[1]
如之前所述，利用基于以太網絡的技術可以實現高EMC性能，這是因為電磁被寫入IEEE 802.3以太網絡標準，且必須在每個節點使用。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保護二極管來提高訊號穩固性。對于工業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絡和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隔離，這些光纖支持千兆位傳輸速度。ADI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。
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確保患者的安全。上一代內視鏡設備被稱為影像內視鏡，其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組件（CCD）傳感器。以可見光為媒介，將來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量方面的表現并不理想。[2]
近期的外科成像設備透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，且可嵌入攝影機頭部。使用CMOS攝影機之后，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，使得一次性外科內視鏡的使用成為可能，如此則無需擔心消毒問題。攝影機進一步縮小，使得微創手術成為可能。[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圖像傳感器到內視鏡CCU之間的電子影像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。嘗試隔離影像界面的整個訊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，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。

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，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。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個以上的信道隔離，每個信道以150 Mbps運行。為簡單的高帶寬接口增加隔離時，對系統設計人員來說，這兩種方案都會產生成本。
利用ADN4654的Gigabit數據速率，可以降低系統的復雜性，而且，僅使用兩個裝置即可實現4.4 Gbps帶寬。每項裝置都有兩個信道，總共四個，每個通道都以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。在需要對不止一個接口實施隔離的系統中，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余裕，增加總體誤碼率。ADN4654在給定通道上能達到業界領先的偏斜性能，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帶來最少的抖動，最大的隨機抖動性能為4.8 ps rms，最大的峰對峰值確定抖動為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組件利用內部LDO調節器來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（來自250 V rms電源）至IEC 60601標準。透過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ADN4654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，影像協議本身的復雜性會成為一大挑戰。必須建議隔離各個影像、控制和電源訊號，而對于設備制造商來說，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已成為商用高分辨率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，適合想要為現有的HDMI 1.3a視頻端口增加電氣隔離功能的用戶。結合 iCoupler 技術，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協議。

HDMI 1.3a協議中的影像數據在四條TMSD線路中傳輸：三條資料線路，一條頻率線路。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，但可透過簡單的被動組件兼容符合LVDS要求的裝置。這些被動組件結合兩個雙信道Gigabit 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的像素頻率頻率，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自EEPROM的顯示器EEID數據，并交換相關的格式化信息。CEC訊號允許在多個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，HPD由接收裝置置位。這些控制訊號都使用兩個 ADuM1250 組件隔離，在必要時，可以對這些訊號實施雙向隔離。使用ADuM1250可以大幅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，用于為隔離組件的顯示（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隔離HDMI接收裝置。

工業以太網絡
對于機器視覺應用，ADI的多協議以太網絡交換器、以太網絡物理層收發器，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的 fido5100/fido5200 REM交換器系列包括兩個2端口工業以太網絡嵌入式交換器，這兩個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。
透過使用這些工業以太網絡嵌入式交換器，可以選擇適合您應用的處理器類型，無需被迫使用特定供貨商的協議堆棧。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周邊裝置都一樣。REM的儲存周期降至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器之間來回傳輸，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堆棧接口，以實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間管理過程。
工業以太網絡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交換機對數據封包進行智能過濾，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封包，無需考慮總數據封包負載。
ADI的 ADIN1100、ADIN1200和ADIN1300 工業以太網絡物理層組件（PHY）目的在實現嚴苛工業環境下的穩固性。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訊的應用。利用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。其專為大幅提高數據傳輸和訊號完整性而開發，采用小型封裝，同時支持多個MAC接口。工業以太網絡物理層套件適合在擴展的工業環境溫度范圍內運行，可為目前及未來的工業以太網絡應用提供高水平可靠性。ADIN1100 10BASE-T1L PHY透過長達1 km的單根雙絞線提供10 Mbps以太網絡連接，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組件提供以太網絡連接，例如在危險區域中運行的HMI、工業影像攝影機和熱感應攝影機。

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保持關鍵性能可使用的重要技術選項。ADI提供創新解決方案，包含：
●業界首款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。

●整套工業以太網絡產品，包含技術、解決方案、軟件和安全功能，這些產品目的在將現實世界連接到工廠網絡，再連接到云端。

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。業界首款Gigabit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影像和攝影機接口。ADI的以太網絡解決方案利用TSN以太網絡交換機和低延遲、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。
（本文作者為ADI系統應用工程師Richard Anslow 及產品應用工程師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.