从物联网工厂到手术室：如何设计更好的通信系统

作者：Richard Anslow and Neil Quinn

工业4.0的基础是可靠的通信基础设施。此基础结构使决策者能够从机器、现场设备和工厂中提取数据。确保机器人和人机界面的可靠性需要对底层技术选项有很好的了解。

虽然工厂车间和医疗手术室几乎没有共同之处，但这两个区域使用的设备必须提供可靠和精确的操作，这通常是关键任务。随着对更智能系统、更多数据和更高保真度的需求，带宽要求也在增加。同时，更快的通信接口必须提供相同的可靠性和安全性，以抵御环境危害和电磁兼容性（EMC）。EMC是系统在其操作环境中按预期运行的能力，而不会产生或受到电噪声的不当影响。

机器人和机器视觉

视觉引导机器人在高价值制造环境中提供更高的灵活性和更高的生产可靠性。如果没有视觉引导，机器人只能重复相同的任务，直到它被重新编程。借助机器视觉，机器人可以执行更智能的任务，例如，在生产线中，可以扫描传送带以查找有缺陷的产品，机器人进行调整以拾取有缺陷的零件，如图 1 所示。在工厂自动化等危险的EMC环境中，视觉/机器人接口的可靠性和有效性取决于所选的有线链路技术。有几种方法可以实现机器视觉相机接口，包括 USB 2.0、USB 3.0、相机链接或千兆以太网。

图1.相机机器视觉和机器人，带以太网、USB 或相机链接接口。

表 1 使用几个关键指标比较了 USB、以太网和相机链路标准。工业以太网具有许多优势，2 对 100BASE-TX 和 4 对 1000BASE-T1 的最长电缆距离可达 100 米，新的 10BASE-T1L 标准在具有高 EMC 性能的单根双绞线上的最长电缆距离可达 1 公里。使用 USB 2.0 或 USB 3.0 的电缆距离限制为 5 米或更小，除非使用专门的有源 USB 电缆，并且需要使用保护二极管和滤波来提高 EMC 性能。然而，工业控制器上无处不在的USB端口和高达5 Gbps的带宽为设计人员提供了一些优势。

参数	USB 2.0 接口	USB 3.0 接口	工业以太网	相机链接
带宽	1.5 Mbps （低速） 12 Mbps （全速） 480 Mbps （高速）	5 Gbps （超高速）	10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps	2.04 Gbps （基本） 4.08 Gbps （完整） 6.8 Gbps （十进制）
电缆长度	5 米	3 米	10 Mbps 最远 1 公里，100 Mbps/1 Gbps 最远 100 米	10 米
一根电缆上的电源和数据？	是的	是的	是，以太网供电 （PoE） 或数据线供电 （PoDL）	是的
需要图像采集卡？	不	不	不	是的
电缆成本	低	低	低	高
电磁兼容性能	低，需要 EMC 保护、滤波器和信号/电源隔离	低，需要 EMC 保护、滤波器和信号/电源隔离	高（变压器磁性元件是以太网规范的一部分）	中等 （LVDS），需要信号/电源隔离以获得最佳性能

Camera Link 需要工业控制器上的专用图像采集卡硬件。USB或以太网不需要在工业控制器中使用额外的图像采集卡。Camera Link作为标准于2000年底首次推出，是机器视觉系统中最常用的接口。如今，基于 USB 和以太网的机器视觉相机的使用更加广泛，但 Camera Link 和图像采集卡仍用于需要对多个相机进行预处理以减少主 CPU 负载的应用。与千兆以太网相比，即使在基本速度下，Camera Link 标准也能推送两倍的数据，尽管距离更短。Camera Link 物理层基于低压差分信号 （LVDS），由于与接收器处有效抵消的每根导线的共模噪声耦合，因此具有固有的 EMC 鲁棒性。LVDS物理层的EMC鲁棒性可以通过磁隔离来提高。

使用相机和机器人链路上的以太网以及使用 IEEE 802.1 时间敏感网络 （TSN） 交换机的工业控制器，可以最好地实现工业相机和机器人动作之间的时间同步。TSN为交换以太网网络中的时间控制数据路由定义了第一个IEEE标准。ADI公司提供一整套以太网技术，包括物理层收发器和TSN交换机，以及系统级解决方案、软件和安全功能。

人机界面 （HMI）

人机界面 （HMI） 通常用于以人类可读的视觉表示形式显示来自可编程逻辑控制器 （PLC） 的数据。标准HMI可用于跟踪生产时间，同时监控关键绩效指标（KPI）和机器产量。操作员可以使用HMI执行各种任务，包括关闭或打开开关，以及增加或减少过程的压力或速度。带有集成显示屏的人机界面很常见;但是，具有外部显示选项的HMI具有一些优势。带有外部高清多媒体接口（HDMI）端口的HMI单元更小，可以使用标准DIN导轨轻松放置在控制架上，该导轨也用于安装受监控的PLC。®

HDMI的电缆长度可达15米，可轻松布线到触摸屏监视器和控制室，如图2所示。在工业环境中，在更长的电缆上扩展HDMI可能具有挑战性，EMC危害会影响布线。当电机和泵连接到DIN导轨安装的PLC时，HMI上也可能存在间接瞬态过电压。

图2.具有以太网和RS-485输入以及HDMI输出的人机界面（HMI）。

确保系统稳健性需要仔细选择接口技术。现场总线技术，如CAN或RS-485，很常见，工业以太网发展迅速。行业消息人士称，全球安装了超过6100万个RS-485（PROFIBUS）节点，其中PROFIBUS过程自动化（PA）同比增长7%。PROFINET（工业以太网实施）的安装基础为 2600 万个节点，仅在 2018 年就安装了 510 万台设备。®1如前所述，基于以太网的技术可以实现高EMC性能，因为磁性元件已写入IEEE 802.3以太网标准，并且必须在每个节点上使用。RS-485器件可以包括磁隔离以提高抗噪能力，保护二极管可以集成在片上，或放置在通信PCB上，以提高对静电放电和瞬态过电压的鲁棒性。

HMI通常具有静电放电保护，并使用ESD保护二极管提高信号鲁棒性。对于工业HMI，集成的强化隔离可以保护操作员免受电气危害。虽然以太网和RS-485提供了合理的隔离解决方案，但如今的视频链路使用能够实现千兆传输速度的昂贵光纤进行隔离。ADI公司在磁隔离技术方面的最新进展，例如能够超过1 Gbps的数据速率的ADN4654/ADN4655/ADN4656系列，为设计人员提供了一种极具吸引力的低成本替代方案。

内 镜

手术成像（包括内窥镜检查）是一种独特的应用，必须满足提供高保真图像的挑战，同时还要确保患者的安全。上一代内窥镜设备，称为视频内窥镜，使用一系列玻璃透镜和光导体，使图像从成像头传输到电荷耦合器件（CCD）传感器。使用可见光作为介质将图像从患者传输到内窥镜提供了对有害电流的固有隔离，但在制造成本和图像质量方面存在显着缺点。2

最近的手术成像设备已经转向数字化以克服这些挑战，从CCD切换到CMOS传感器，该传感器可以轻松缩放尺寸并嵌入到相机头中。CMOS相机消除了对多个镜头串联的需求，提高了整体图像质量。制造成本的降低使一次性手术镜成为可能，消除了灭菌的挑战。摄像头的进一步小型化使得侵入性更小的手术。3

随着数字内窥镜的转变，与患者接触的CMOS图像传感器与相机控制单元（CCU）之间需要高速电气接口。LVDS和可扩展低压信号（SLVS）已成为这种互连的流行物理层，提供高带宽和相对较低的功耗。4与视频内窥镜不同，该接口现在是电动的，并且有可能传导危险电流。在没有光学介质固有隔离的情况下，系统必须设计为将患者与任何潜在有害的电流分开。

图3.带有CMOS图像传感器的数字内窥镜中的电气接口。

在任何连接到主电源的医疗系统中，患者的安全至关重要。IEC 60601 医疗电气设备标准对提供患者保护 （MOPP） 免受有害电压影响的组件提出了严格要求。系统设计人员在实施高带宽解决方案以传输成像数据的同时，又要满足这些严格的安全要求，面临着重大挑战。从CMOS图像传感器到内窥镜CCU的电子视频链路就是需要符合安全标准的高速连接的一个例子。ADI公司提供独特的解决方案，用于跨越可信的安全屏障实现这种高带宽链路，以满足IEC 60601-1标准的要求。

医疗显示器

其他医疗设备，如呼吸机和心电图（ECG），与患者直接连接，用于呼吸辅助和监测。有关患者的信息显示在图形显示屏上，该显示屏包含在医疗设备本身中。这件医疗设备内部的显示器是众所周知的、值得信赖的，并且经过认证，可用作符合IEC 60101标准的医疗设备。对于任何现成的外部电视机和显示器，都不能保证这一点。为确保患者安全，从医疗设备到外围设备的任何外部连接也应为患者保护提供屏障。这种隔离对于RS-232、RS-485和CAN等传统低速接口来说微不足道，可以使用标准数字隔离器实现。

另一方面，将视频端口与外部显示器隔离带来了独特的挑战。显示器标准化接口的带宽要求远远超过使用合理数量的光耦合器或标准数字隔离器所能实现的带宽要求。当试图隔离视频接口的整个信号链时，增加了进一步的复杂性。例如，HDMI 1.3a协议不仅包括用于传输视频数据的转换最小化差分信号（TMDS），还包括用于交换视频/格式信息、电源电路以及检测显示（灌）设备的连接和断开的双向控制信号。5在添加电流隔离时，必须考虑所有这些因素，这对系统设计人员构成了障碍。在许多情况下，使用以前的方法在这些显示端口上添加安全隔离栅是不可行的，因此医疗系统中不包括外部显示端口。ADI公司为HDMI 1.3a等常用视频协议的电流隔离提供参考设计，可在需要患者保护的情况下提供额外的安全保护。

千兆数字隔离

ADN4654系列LVDS数字隔离器是视频和相机应用需要高带宽和可信安全性的系统设计人员的新选择。这些器件具有两个隔离通道，每通道数据速率高达1.1 Gbps，代表了数字隔离速度能力的重大飞跃。20引脚SSOP封装的总吞吐量为2.2 Gbps，与基于传统数字隔离器的解决方案相比，可显著节省面积。

图4.ADN4654千兆位LVDS隔离器框图

为了说明这一点，请考虑一个以 60 Hz 传输 24 位颜色的视频链路，分辨率为 1920 × 1080 （1080 p）。为了跨越隔离栅传输所需的信息，需要4.4 Gbps的总带宽。典型的光纤解决方案具有足够的带宽，但从铜介质到光纤的转换需要串行器、解串器和电光转换器。使用标准数字隔离器的解决方案还需要一个串行器、一个解串器和30多个隔离通道，每个通道的工作速率为150 Mbps。在为简单的高带宽接口添加隔离时，这两种解决方案都会给系统设计人员带来开销。

通过利用ADN4654的千兆位数据速率，可以降低系统的复杂性，只需使用两个器件即可实现4.4 Gbps带宽。每个设备有两个通道，总共四个通道，每个通道以 1.1 Gbps 的速度运行。高通道带宽可以消除信号链中任何SERDES模块的需要。在必须隔离多个视频接口的系统中，空间和复杂性的改进更加复杂。

运行在 1 Gbps 以上的物理层接口具有严格的峰值抖动和偏斜要求，以确保可靠的通信。添加到信号链中的任何元件（如数字隔离器）都必须产生最小的抖动和偏斜，以避免影响系统性能。过多的抖动和偏斜会影响接收器的采样裕量，并增加整体误码率。ADN4654具有业界领先的偏斜性能，在给定通道上最大为100 ps，器件间为600 ps，非常适合隔离这些高带宽接口。ADN4654采用PRBS-23（伪随机二进制序列）模式时，最大随机抖动性能为4.8 ps rms，最大峰峰值确定性抖动为116 ps。码型运行长度小于 23 位是常见的，在具有较低运行长度的编码方案（如 8B/10B 编码）的协议中，抖动性能会提高到超过这些值。

ADN4654/ADN4655/ADN4656器件内置LDO稳压器，可实现灵活的电源配置，并提供多种通道配置。ADN4654采用20引脚宽体SOIC封装或节省空间的20引脚SSOP封装。SOIC 封装具有 5 kV rms 隔离和 7.8 mm 爬电距离和电气间隙，使这些器件适用于 1 MOPP，电源范围为 250 V rms 至 IEC 60601 标准。通过灌封将器件爬电距离和间隙提高到 8 mm 以上，它们可以用作 2 MOPP 绝缘系统中的组件。

图5.基于 ADN4654 的系统可轻松隔离高带宽接口。

使用电路笔记CN-0422隔离HDMI

当面临为视频接口添加安全隔离的任务时，视频协议本身的复杂性成为一个挑战。必须设计一种隔离每个视频、控制和电源信号的解决方案，这给设备制造商带来了麻烦。即插即用的参考设计解决方案可缩短实现功能设计所需的系统开发时间。

自2002年底发布以来，HDMI已成为商用高清电视和显示器的事实标准之一。HDMI的广泛成功可归因于其功能集和可靠的互操作性。

EVAL-CN0422-EBZ 参考设计可作为嵌入式解决方案，适用于希望为现有 HDMI 1.3a 视频端口添加电流隔离的用户。我耦合器隔离技术相结合，通过绝缘栅传输必要的电源和高速视频和控制信号。®

图6.用于隔离 HDMI 1.3a 协议的 EVAL-CN0422-EBZ 参考设计。

HDMI 1.3a协议中的视频数据通过四个TMDS通道传输：三个数据通道和一个时钟通道。这些车道中的每一个都必须单独隔离。传统的数字隔离器既不支持TMDS的高带宽，也不支持TMDS的差分特性，因此不适合。虽然TMDS与LVDS略有不同，但可以使用简单的无源元件来与LVDS兼容器件兼容。这些无源元件与两个双通道千兆位ADN4654隔离LVDS收发器配合使用，以隔离所有四个TMDS通道。可实现高达 110 MHz 的像素时钟频率，以 60 Hz 的帧速率支持 720 p 分辨率。

HDMI协议包含用于控制目的的其他低速信号：数据显示通道（DDC），消费电子控制（CEC）和热插拔检测（HPD）。DDC 用于允许源从 EEPROM 读取显示 EEID 数据并交换相关的格式信息。CEC 信号允许在多个连接的源和接收器设备之间共享功能。当接收器设备检测到连接的源时，接收器设备会断言 HPD，从而向连接的设备发出信号。这些控制信号均使用两个ADuM1250器件进行隔离，并在需要时提供这些信号的双向隔离。使用ADuM1250大大简化了与实现双向隔离通道相关的设计挑战。

该参考设计包括一个隔离式DC-DC电源转换器ADuM5020，用于为隔离器件的显示（灌电流）侧供电。根据标准要求，HDMI电缆还提供275 mW以支持接收器设备。该参考设计是现成的用于隔离HDMI源器件，但可以很容易地采用隔离电源电路来隔离HDMI接收器件。

工业以太网

对于机器视觉应用，ADI公司的多协议以太网交换机、以太网物理层收发器以及全平台解决方案产品组合可确保无缝连接和运营效率。

ADI公司的fido5100/fido5200 REM开关系列包括两个2端口工业以太网嵌入式交换机，可连接任何处理器（包括任何Arm CPU）和ADI公司的fido1100通信控制器。®

这些工业以太网嵌入式交换机经过精心设计，您可以选择适合您应用的处理器类型，而不必被迫使用特定供应商的协议栈。REM 连接到处理器的内存总线，看起来就像该总线上的任何其他外设一样。REM的存储周期降至32 ns（32位总线为125 Mbps），以支持EtherCAT的12.5 μs周期时间和PROFINET IRT的31.25 μs周期时间。数据使用优先通道队列在交换机之间传输，因此实时数据传输可以无延迟地中断非实时数据传输。这些队列由交换机驱动程序和协议栈接口管理，以实现最有效的数据传输。这也意味着应用软件不必担心管理交换机、设置低电平寄存器或跟踪复杂的时间管理流程。

工业以太网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受网络负载影响。此优势可确保您的应用程序始终处于启动和运行状态。REM 交换机智能过滤数据包，以阻止来自处理器的不需要的流量，根据处理器的负载管理低优先级流量，并保证及时传递高优先级数据包，无论整体数据包负载如何。

ADI公司的ADIN1100、ADIN1200和ADIN1300工业以太网物理层器件（PHY）专为恶劣工业环境中的鲁棒性而设计。 这些产品已完成广泛的EMC和稳健性测试，非常适合需要可预测和安全通信的应用。凭借业界领先的低延迟和低功耗 PHY 技术，该产品组合支持 10 Mbps、100 Mbps 和 1 Gbps 的数据速率。 它们旨在最大限度地提高数据传输和信号完整性，支持多个 MAC 接口，同时采用小型封装。工业以太网 PHY 设计用于在扩展的工业环境温度范围内运行，为当今和未来的工业以太网应用提供最高级别的可靠性。ADIN1100 10BASE-T1L PHY 通过单根双绞线电缆提供 10 Mbps 以太网连接，最长可达 1 km，并支持危险区域用例（本质安全 0 区应用），有时称为以太网 APL。ADIN1100为本质安全认证器件提供以太网连接，包括工作在危险区域的HMI、工业摄像机和热成像摄像机。

ADI提供哪些尚未推出的产品？

本文介绍了工业和医疗应用中安全可靠的高带宽视频或摄像头接口的应用要求，并讨论了在保持关键性能的同时实现这些接口的关键技术选项。ADI公司提供创新的解决方案，包括：

业界首款千兆数字隔离器系列ADN4654/ADN4655/ADN4656，为隔离高带宽接口提供了新的选择。

业界首款电隔离视频和摄像头端口，与笨重的光纤解决方案相比，成本和复杂性更低。

经过系统合规性测试的解决方案，可减少测试和合规性难题。一个例子是经过HDMI标准测试的参考设计。

一整套工业以太网产品，包括技术、解决方案、软件和安全功能，旨在将现实世界连接到工厂网络，并进一步连接到云。

结论

ADI公司深厚的领域专业知识和先进技术可帮助合作伙伴连接未来的工业设备和网络。业界首创的千兆电流隔离技术为隔离各种医疗和工业应用中的视频和摄像头接口提供了替代方法。ADI公司的以太网解决方案采用TSN以太网交换机和低延迟、低功耗、长电缆到达物理层收发器，确保在恶劣的工业应用中可靠地传输关键数据。

审核编辑：郭婷