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从物联网工厂到手术室:设计更好的通讯系统
深入了解底层技术
[作者 Richard Anslow等人]   2021年08月23日 星期一 浏览人次: [1349]


工业4.0的基础是可靠的通讯基础设施。决策者透过基础设施从机器、现场设备和工厂提取资料。而要保证机器人和人机介面的可靠性,则先要深入了解底层技术选项。


生产厂房和手术室虽然截然不同,但所使用的设备都必须可靠、精准地运行,这对於所执行的任务非常重要。随着装置需要更智慧的系统、更多资料和更高的保真度,其对频宽的需求也不断增加。与此同时,速度更快的通讯介面必须在抵抗环境危害和电磁相容性(EMC)的同时,提供同等的可靠性和安全性。EMC是指系统能够在其操作环境中发挥预期作用,不产生电杂讯,也不被电杂讯过度影响。


机器人和机器视觉

视觉引导机器人可以在高价值制造环境中提供更高的弹性和更高的生产可靠性。如果没有视觉引导,机器人只能重复执行同样的任务,直到被重新编程。有了机器视觉,机器人可以执行更加智慧的任务,例如,在生产线中,可扫描输送带上的缺陷产品,并由经过调节的机器人捡取缺陷产品,如图1所示。在危险性EMC环境(例如工厂自动化)中,视觉/机器人介面的可靠性和有效性由所选的有线传输技术决定。有多种方式可以实现机器视觉摄影机介面,包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link,或十亿位元乙太网路。


图一 : 摄影机机器视觉和机器人乙太网路、USB或Camera Link介面
图一 : 摄影机机器视觉和机器人乙太网路、USB或Camera Link介面

表一对比了USB、乙太网路和Camera Link标准的几大关键指标。工业乙太网路具有多种优势,采用2对100BASE-TX和4对1000BASE-T1标准的线缆最长可达100公尺,采用新推出的10BASE-T1L标准的单条双绞线最长可达1 km,且EMC性能较高。使用USB 2.0或USB 3.0的线缆不超过5公尺,除非使用专门的主动USB电缆,且需要使用保护二极体和滤波器来提高EMC性能。但是,随着工业控制器普遍采用USB埠,且频宽最高达到5 Gbps,这为设计人员提供了一些优势。


表一 机器视觉摄影机的通讯介面标准

叁数

USB 2.0

USB 3.0

工业乙太网路

Camera Link

频宽

1.5 Mbps(低速)
12 Mbps(全速)
480 Mbps(高速)

Gbps
(超高速)

10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps

2.04 Gbps (基本)
4.08 Gbps (全速)
6.8 Gbps (deca)

电缆长度

5 公尺

3 公尺

10 Mbps,最长1 km,100 Mbps/1 Gbps,最长100公尺

10 公尺

电源和资料透过同一电缆传输?

是,透过乙太网路供电 (PoE)或透过资料线供电 (PoDL)

需要讯框撷取?

电缆成本

EMC性能

低,需要EMC保护、滤波器和讯号/电源隔离

低,需要EMC保护、滤波器和讯号/电源隔离

高(变压器磁性是乙太网路规格的一部分)

中(LVDS),要求实施讯号/电源隔离,以实现最隹性能


Camera Link要求工业控制器配备专用的讯框撷取硬体。USB或乙太网路无需工业控制器配备额外的讯框撷取卡。Camera Link这个标准最早出现於2000年末,是机器视觉系统最常用的介面。如今,基於USB和乙太网路的机器视觉摄影机的使用更加广泛,但是,需要对多个摄影机实施预先处理的应用仍在使用Camera Link和ㄒ讯框撷取器,以降低主CPU负载。相较於十亿位元乙太网路,即使在基本速度下,Camera Link标准输出的资料量也多达其两倍,且输出距离更短。Camera Link实体层基於低压差模讯号(LVDS),由於与每条线路耦合的共模杂讯都会在接收器端有效消除,因此本身具有EMC稳固性。LVDS实体层的EMC稳固性可透过电磁隔离进行改善。


透过在摄影机和机器人连结上使用乙太网路,以及采用IEEE 802.1时间敏感网路(TSN)交换机的工业控制器,可以大幅实现工业摄影机和机器人操作同步。TSN定义了交换式乙太网路中用於时间控制资料路由的第一个IEEE标准。ADI提供全套乙太网路技术,包含实体层收发器和TSN交换机,以及系统级解决方案、软体和安全功能。


人机介面(HMI)

人机介面(HMI)常用於透过人类可读视觉表示方式显示来自可编程逻辑控制器(PLC)的资料。标准HMI可用於追踪生产时间,同时监控关键绩效指标(KPI)和机器输出。操作员可使用HMI执行多项任务,包括开启或关闭交换机,以及增加或降低过程中的压力或速度。HMI通常配备整合式显示幕;但是,配备外接显示幕选项的HMI具有多种优势。采用外部高清多媒体介面(HDMI)埠的HMI装置更小巧,更容易安装到采用标准DIN电源轨的控制台中,也可用於监控PLC。


使用HDMI时,电缆长度可达15公尺,便於路由到触控显示萤幕和控制室,如图2所示。在工业环境中,在更长的电缆上扩展HDMI具有挑战性,因为EMC危害会影响布线。在马达和泵连接至DIN轨道式PLC时,HMI上也可能出现间接瞬变过压。



图二 : 具备乙太网路和RS-485输入,以及HDMI输出的人机介面(HMI)。
图二 : 具备乙太网路和RS-485输入,以及HDMI输出的人机介面(HMI)。

要确保系统稳固性,就需要仔细选择介面技术。随着工业乙太网路迅速发展,现场汇流排技术(例如CAN或RS-485)越来越普及。据产业消息,全球安装的RS-485 (PROFIBUS)节点已超过6100万个,PROFIBUS过程自动化(PA)装置同比成长7%。PROFINET(工业乙太网路实施)安装基数为2600万个节点,仅2018年安装的元件数量就达到510万。[1]


如之前所述,利用基於乙太网路的技术可以实现高EMC性能,这是因为电磁被写入IEEE 802.3乙太网路标准,且必须在每个节点使用。RS-485元件可以包含电磁隔离,以提高抗杂讯能力;保护二极体可以整合在晶片内,或者置於通讯PCB上,以提高对静电放电和瞬变过压的抵抗力。


HMI通常需要抗静电放电,且利用ESD保护二极体来提高讯号稳固性。对於工业HMI,整合增强隔离可保护操作人员免除电气危险。虽然目前提供了因应乙太网路和RS-485的合理的隔离解决方案,但如今,影像传输主要利用成本高昂的光纤来隔离,这些光纤支援十亿位元传送速率。ADI关於电磁隔离技术的最新进展(例如 ADN4654/ADN4655/ADN4656 系列,其资料速率可以超过1 Gbps)为设计人员提供了具有竞争力,且成本更低的替代解决方案。


内视镜

外科成像,包括内视镜在内,是一种独特的应用,必须在提供高保真图像的同时确保患者的安全。上一代内视镜设备被称为影像内视镜,其使用一系列玻璃镜片和一个光导管将图像从成像头传输到电荷耦合元件(CCD)感测器。以可见光为媒介,将来自患者的图像传输至内视镜,这种方法可以隔离有害电流,但是,在制造成本和图像品质方面的表现并不理想。[2]


近期的外科成像设备透过转向数位化来克服这些挑战,且从CCD转向CMOS感测器,後者的尺寸易於扩展,且可嵌入摄影机头部。使用CMOS摄影机之後,无需串列连接多个镜头,且可以改善整体的图像品质。生产成本降低,使得一次性外科内视镜的使用成为可能,如此则无需担心消毒问题。摄影机进一步缩小,使得微创手术成为可能。[3]


在转向数位内视镜之後,CMOS图像感测器(接触患者)和摄影机控制器(CCU)之间必须提供高速电子介面。LVDS和可扩展低压讯号(SLVS)层逐渐成为实现这种互连的常用的实体层,提供高频宽和相对较低的功率。[4] 这种介面与影像内视镜中的介面不同,目前其为电子式,可能能够传输危险电流。因为不具备光学介质的隔离性,所以该系统在设计时,必须保证隔离患者和潜在的有害电流。



图三 : 带CMOS图像感测器的数位内视镜的电子介面。
图三 : 带CMOS图像感测器的数位内视镜的电子介面。

对於任何连接主电源的医疗系统而言,患者的安全是至高无上的。IEC 60601医疗电机设备标准对保护患者(MOPP)免受有害电压伤害的元件提出了严格要求。要使用高频宽解决方案传输图像资料,同时满足这些严格的安全要求,这为系统设计人员带来了重大挑战。从CMOS图像感测器到内视镜CCU之间的电子影像传输就是这样一个示例,两者之间需要建立符合安全要求的高速连接。ADI的独有解决方案在可信的安全范围内执行高频宽传输,以满足IEC 60601-1标准的要求。


医疗显示器

其他医疗设备,例如呼吸机和心电图(ECG),都是直接与患者相连,用於呼吸辅助和监测。关於患者的资讯会显示在医疗设备内建的图形显示器中,便於操作人员查看。根据IEC 60101标准,该医疗设备中的显示器是已知的、可信的且已经过认证,可作为医疗设备使用。对於任何现成的外部电视和显示器,则无法保证这一点。为了确保患者的安全,应在医疗设备与周边设备之间的外部连接中增加隔离,以保护患者。对於传统的低速介面(例如RS-232、RS-485和CAN)来说,这种隔离可能并不重要,可以使用标准数位隔离器来实现。


另一方面,视讯连接埠与外部显示器的隔离会造成独特的挑战。显示器的标准化介面的频宽要求远远超过使用合适数量的光耦合器或标准数位隔离器可以实现的频宽。尝试隔离影像界面的整个讯号链会使复杂度进一步增加。例如,HDMI 1.3a协定不止包含用於传输影像资料的转换最小化差模讯号(TMDS),还包括用於交换影像/格式资讯、电源电路,以及检测显示(接收器)装置之间的连接和断开的双向控制讯号。[5]


在增加系统设计人员视为障碍的电机隔离时,必须考虑所有这些因素。在许多情况下,可能无法使用之前的方法为这些显示器埠增加安全隔离闸,所以医疗系统中不包含外部显示器埠。ADI提供对常用的影像协定(例如HDMI 1.3a)实施电气隔离的叁考设计 ,如此,在需要对患者实施保护时,可以直接增加额外的安全保护。


Gigabit数位隔离

当影像和摄影机应用需要高频宽和可靠的安全性时,系统设计人员可以使用ADN4654系列LVDS数位隔离器这种新选择。这些元件提供双通道隔离,每个通道的资料速率高达1.1 Gbps,这代表数位隔离在速度方面的一大跃进。它们采用20接脚SSOP封装,提供2.2 Gbps总输送量,相较於基於传统的数位隔离器的解决方案,其体积大幅减小。



图四 : ADN4654千兆LVDS隔离器框图。
图四 : ADN4654千兆LVDS隔离器框图。

以影像连结为例,可以在60 Hz下传输24位元的颜色,解析度为1920 ×1080 (1080 p)。要跨越隔离闸传输所需的资讯,需要总频宽达到4.4 Gbps。典型的光纤解决方案具有足够的频宽,但是从铜介质转换为光纤,需要用到序列化器、反序列化器和电光转换器。使用标准数位隔离器的解决方案还需要用到序列化器、反序列化器,以及30个以上的通道隔离,每个通道以150 Mbps运行。为简单的高频宽介面增加隔离时,对系统设计人员来说,这两种方案都会产生成本。


利用ADN4654的Gigabit资料速率,可以降低系统的复杂性,而且,仅使用两个装置即可实现4.4 Gbps频宽。每项装置都有两个通道,总共四个,每个通道都以1.1 Gbps运行。具备高通道频宽之後,则不再需要讯号链中的任何SERDES模组。在需要对不止一个介面实施隔离的系统中,空间和复杂性的改善得以兼顾。


以高於1 Gbps的速率运行的实体层介面具有严格的抖动和偏斜要求,以保证可靠通讯。增加至讯号链的任何元件(例如数位隔离器)的抖动和偏斜必须最小,以免影响系统性能。过多的抖动和偏斜可能会影响接收器的采样馀裕,增加总体误码率。ADN4654在给定通道上能达到业界领先的偏斜性能,最大100 ps,元件与元件之间则为600 ps,因此非常适合隔离这些高频宽介面。ADN4654带来最少的抖动,最大的随机抖动性能为4.8 ps rms,最大的峰对峰值确定抖动为116 ps,采用PRBS-23(伪随机二进位序列)模式。模式运行长度少於23位元,这很常见,而在编码方案的运行长度更短的协议(例如8B/10B编码)中,抖动性能得到改善,改善後超过了这些值。


ADN4654/ADN4655/ADN4656元件利用内部LDO调节器来提供弹性的电源配置,可用於多种通道配置。ADN4654采用20接脚宽体SOIC封装,或者节省空间的20接脚SSOP封装。SOIC封装提供5 kV rms隔离和7.8 mm爬电距离和间隙,使得这些元件适合1 MOPP(来自250 V rms电源)至IEC 60601标准。透过利用封装将元件的爬电距离和间隙增加到大於8 mm,其能够作为2 MOPP隔离系统的元件使用。



图五 : 基於ADN4654的系统可以轻松隔离高频宽介面。
图五 : 基於ADN4654的系统可以轻松隔离高频宽介面。

根据电路笔记CN-0422隔离HDMI

在为影像介面增加安全隔离时,影像协定本身的复杂性会成为一大挑战。必须建议隔离各个影像、控制和电源讯号,而对於设备制造商来说,这是一个非常棘手的问题。随??即用型设计解决方案帮助缩短了实现功能设计所需的系统开发时间。


自2002年年底推出以来,HDMI已成为商用高解析度电视和显示器的实际标准之一。HDMI之所以能大获成功,因归功於其功能组和可靠的互通性。


EVAL-CN0422-EBZ 叁考设计 可作为一种随??即用型解决方案,适合想要为现有的HDMI 1.3a视讯连接埠增加电气隔离功能的用户。结合 iCoupler 技术,以跨越隔离闸传输所需的功率和高速影像,以及控制讯号。



图六 : EVAL-CN0422-EBZ叁考设计,用於隔离HDMI 1.3a协议。
图六 : EVAL-CN0422-EBZ叁考设计,用於隔离HDMI 1.3a协议。

HDMI 1.3a协定中的影像资料在四条TMSD线路中传输:三条资料线路,一条时脉线路。每条线路都必须单独隔离。传统的数位隔离器不支援TMDS的高频宽或差分特性,因此不太适用。虽然TMDS与LVDS稍有不同,但可透过简单的被动元件相容符合LVDS要求的装置。这些被动元件结合两个双通道Gigabit ADN4654隔离LVDS收发器,以隔离全部四条TMDS线路。可以实现高达110 MHz的图元时脉频率,在帧率为60 Hz时,支援720 p解析度。


HDMI协定包含其他用於进行控制的低速讯号:显示资料通道(DDC)、消费电子控制(CEC)和热??拔检测(HPD)。DDC用於允许源极读取来自EEPROM的显示器EEID资料,并交换相关的格式化资讯。CEC讯号允许在多个连接的源装置和接收装置之间共用功能。检测到HPD具有附加源(表示有与之相连的元件)时,HPD由接收装置置位元。这些控制讯号都使用两个 ADuM1250 元件隔离,在必要时,可以对这些讯号实施双向隔离。使用ADuM1250可以大幅简化与实施双向隔离通道相关的设计挑战。


叁考设计包括一个隔离式DC-DC电源转换器 ADuM5020,用於为隔离元件的显示(接收)侧供电。根据标准要求,275 mW会传输至HDMI电缆,以支援接收装置。叁考设计用於隔离HDMI源装置,但可以轻松采用隔离电源电路来隔离HDMI接收装置。


工业乙太网路

对於机器视觉应用,ADI的多协定乙太网路交换器、乙太网路实体层收发器,以及所有平台解决方案产品组合都确保实现无缝连接和运行效率。


ADI的 fido5100/fido5200 REM交换器系列包括两个2埠工业乙太网路嵌入式交换器,这两个交换器可连接到任何处理器,包括任何ArmR CPU和ADI的 fido1100 通讯控制器。


透过使用这些工业乙太网路嵌入式交换器,可以选择适合您应用的处理器类型,无需被迫使用特定供应商的协定堆叠。REM连接到处理器的记忆体汇流排,看起来与该汇流排上的任何其他周边装置都一样。REM的储存周期降至32 ns(32位元汇流排为125 Mbps)以支援EtherCAT的12.5 μs周期,以及PROFINET IRT的31.25 μs周期。资料使用优先通道伫列在交换器之间来回传输,因此即时资料传输可以无延迟地中断非即时资料传输。这些伫列由交换机驱动程式管理并与协定堆叠介面,以实现尽可能高效的资料传输。这也表示应用软体不必费心管理交换机,设定低位准暂存器或追踪复杂的时间管理过程。


工业乙太网路嵌入式交换机的另一个性能优势,是其优先通道技术使其不会受到网路载入的影响。该优势可确保您的应用程式在任何时候都能够启动并运行。REM交换机对资料封包进行智慧过滤,以防止来自处理器的干扰流量,根据处理器负载管理低优先顺序流量,并保证及时发送高优先级资料封包,无需考虑总资料封包负载。


ADI的 ADIN1100、ADIN1200和ADIN1300 工业乙太网路实体层元件(PHY)目的在实现严苛工业环境下的稳固性。这些产品已经完成了广泛的EMC和可靠性测试,适用於需要可预测和安全通讯的应用。利用业界领先的低延迟和低功耗PHY技术,该产品组合支援10 Mbps、100 Mbps和1 Gbps的资料速率。其专为大幅提高资料传输和讯号完整性而开发,采用小型封装,同时支援多个MAC介面。工业乙太网路实体层套件适合在扩展的工业环境温度范围内运行,可为目前及未来的工业乙太网路应用提供高水准可靠性。ADIN1100 10BASE-T1L PHY透过长达1 km的单根双绞线提供10 Mbps乙太网路连接,且支援危险区域使用案例(本质安全区域0应用),这些案例有时称为Ethernet-APL。ADIN1100为通过本质安全认证的元件提供乙太网路连接,例如在危险区域中运行的HMI、工业影像摄影机和热感应摄影机。


ADI提供哪些首发产品?

本文描述了工业和医疗应用中安全可靠的高频宽影像或摄影机介面的应用要求,并讨论了在采用这些介面的同时保持关键性能可使用的重要技术选项。ADI提供创新解决方案,包含:


●业界首款Gigabit数位隔离器系列ADN4654/ADN4655/ADN4656,提供隔离高频宽介面的新选项。


●业界首款电气隔离影像及摄影机埠,相较於庞大的光纤解决方案,有助於降低成本和复杂性。


●经测试符合规定的系统解决方案,减少了测试和合规性难题。范例之一就是根据HDMI标准测试的 叁考设计。


●整套工业乙太网路产品,包含技术、解决方案、软体和安全功能,这些产品目的在将现实世界连接到工厂网路,再连接到云端。


结论

ADI利用其深厚的领域专业知识和先进技术,帮助合作夥伴连接未来工业套件和网路。业界首款Gigabit电气隔离技术提供替代方案,用於在各种医疗和工业应用中隔离影像和摄影机介面。ADI的乙太网路解决方案利用TSN乙太网路交换机和低延迟、低功耗、长线缆的实体层收发器,确保在严苛的工业应用中可靠传输关键资料。


(本文作者为ADI系统应用工程师Richard Anslow 及产品应用工程师Neil Quinn,完整全文请至CTIMES官网阅读)


叁考电路

[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.


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