時間敏感型網絡解決方案消弭工業物聯網通訊缺口

本文說明全新i.MX RT1180為整合Gbps時間敏感型網絡（TSN）交換器的微控制器，如何整合實時網絡效能來處理時間敏感型和工業實時通訊，同時包含先進的EdgeLock安全區域（secure enclave），以及廣泛的生態系統，幫助開發人員獲得簡化的微控制器開發體驗。
全球各地的制造商已經在運用工業物聯網（IIoT）技術從根本上改善營運、簡化生產并優化制造能力。制造商們并沒有拆除現有工廠，重建生產車間，而是添加部署了更高效的設備、更先進的機器人和更快速的網絡。
而諸如PROFINET等傳統協議之間的通訊缺口，使這些新技術難以與現有系統協調工作。時間敏感型數據需要透過網絡實時傳輸。這種完全同步的操作需要能支持復雜協議組合并提供向后兼容的技術。為此，不僅需要優化的處理能力、低功耗、硬件安全和靈活的架構，同時還需要系統具備時間敏感型網絡的傳輸能力。

 
圖1 : 全球各地的制造商已運用工業物聯網（IIoT）技術，期望能從根本上改善營運、簡化生產并優化制造能力。

為了滿足日益增長的工業應用需求，i.MX RT1180跨界MCU為恩智浦首款整合Gbps時間敏感型網絡（Time Sensitive Networking；TSN）交換器的微控制器，支持實時通訊和多種通訊協議，實現現有工業系統和工業4.0平臺之間的融合。i.MX RT1180也是恩智浦首款帶有EdgeLock安全區域（secure enclave）的跨界MCU，EdgeLock安全區域是一個預先配置、自我管理式自主內建（autonomous on-die）的安全子系統，可簡化針對工業物聯網和智能制造部署可靠的系統級安全的復雜性。
透過運用整合TSN交換器和安全區域的一體化MCU解決方案，開發人員可以實現各種工業物聯網應用要求，處理時間敏感型流量和竭盡所能的傳輸流量，支持安全自動化系統實現實時通訊能力。

邁向工業多協議互聯的新時代
使用整合TSN交換器和支持多協議的MCU可帶來顯著的應用優勢。數據可以透過交換器傳入或傳出，而實時數據傳輸可以在無延時的情況下中斷非實時數據傳輸。這些數據隊列由交換器驅動程序管理，并與協議堆棧（protocol stack）連接，以實現最高效的數據傳輸。得益于此，應用軟件可以從管理交換器、設置低層緩存器或跟蹤復雜的時間管理過程的任務中解放出來，使時間敏感型應用能夠始終正常運行。
i.MX RT1180是具有實時工業網絡功能的最小MCU之一，因此更容易將應用相關的關鍵型多協議和TSN功能整合至更廣泛的工業用例中。自動化任務需要實時控制所有設備和整個工廠，并保證高精確度、低延遲，RT1180提供了優化的解決方案。工業物聯網使用場景包括工廠自動化、緊湊型運動控制、電機控制工業網關、網絡終端設備、交流/伺服驅動器、遠程I/O管理和IO鏈路控制器。
i.MX RT1180跨界MCU支持符合EC/IEEE 60802工業TSN規范的最新TSN標準，以及多種工業實時網絡協議，包括EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、CC-Link IE和HSR。它還提供多達5個Gb網絡端口，包括第2層TSN交換器上的4個埠和TSN端點控制器上的1個埠。
除了提供整合的TSN解決方案外，i.MX RT1180跨界MCU還可作為工業設計中的配套芯片，無需板載PHY，即可在主機設備和配套設備之間提供無縫的1 Gb直接通訊，進而省下額外的電源并節約成本。

為工業物聯網保駕護航
雖然智慧工廠帶來的好處毋庸置疑，如提高生產和調運效率并節省成本，但工業物聯網互聯也帶來了新的安全風險。隨著工廠聯網設備數量的激增，潛在的網絡安全威脅也在增加。工業流程、營運和網絡保護不足，易受攻擊，如盜用公司數據和知識產權、干擾或阻礙流程控制、網絡安全漏洞以及對關鍵基礎建設和供應鏈的大面積攻擊。
為了?明工廠、設備和網絡抵御數字攻擊，制造商必須采用并不斷維護先進、全面的工業安全平臺。從設備端和系統級保護提升安全性，對確保當今智慧互聯工廠的安全至關重要。即使是MCU等系統級組件也必須提供高級安全功能。EdgeLock安全區域是完全整合的芯片上（on-die）安全子系統，正好滿足要求。
EdgeLock安全區域的功能可以看作i.MX RT1180跨界MCU中的「安全總部」，監督所有安全功能，保護設備免受物理和網絡攻擊。它能自主管理關鍵安全功能，如管理信任根、運行時證明、信任配置、安全啟動、密鑰管理和加密服務等，簡化為物聯網應用實現強大的裝置范圍安全智能的復雜性。
EdgeLock安全區域還為IEC 62443系統合規性奠定了組件級基礎。IEC 62443是一套安全標準，定義了工業自動化和控制系統（IACS）的安全開發。這些標準為應對工業廠房、設備、網絡和基礎設施的網絡安全威脅要求提供了必要的基礎。IEC 62443合規性有助于制造商避免部分和/或沖突要求的激增，可滿足多個行業部門和營運場所對營運技術的網絡安全需求。

專為提高效率而設計
為了提供高效能和設計靈活性，i.MX RT1180跨界MCU的高效SoC設計包括雙核架構，搭載800 MHz Arm Cortex-M7和Cortex-M33內核，可協調實時和應用處理任務。它可以輕松地與恩智浦i.MX處理器等主機芯片進行通訊。這種兼容性簡化了工業設計，并精簡了實施方案。無需板載PHY（on-board PHY）即可實現高達1Gbps的可擴展無縫主/從芯片通訊，有助于降低工業設計中的功耗和成本。

 
圖2 : i.MX RT1180架構圖

i.MX RT1180片內整合了電源管理IC（PMIC），專為實現高能效而設計，適合設計功耗為250mW及以上的應用場景，有助于對許多工業應用至關重要的卓越能效，同時還可降低電路板的復雜性和BOM成本。
i.MX RT1180跨界MCU采用10 mm x 10 mm或14 mm x 14 mm BGA封裝，可在穩健的擴展溫度范圍（-40℃至+125℃）下運行，為全年全天候運行的工廠設備提供工業認證和高可靠性，廣泛的開發人員生態體系簡化基于i.MX RT1180 SoC搭建系統的嵌入式設計體驗。MCUXpresso軟件和工具套件包括設備配置工具、驅動程序和中間件、功能齊全的IDE、SDK示例和安全配置工具，適用于基于Arm Cortex-M技術的恩智浦MCU。
i.MX RT1180跨界MCU為智能工廠搭建了通往未來的橋梁，采用整合的TSN交換器消弭傳統協議標準和當前協議標準之間的缺口。
（本文作者Christian Castel為恩智浦半導體邊緣處理業務工業自動化營銷全球負責人）