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從物聯網工廠到手術室:設計更好的通訊系統
深入瞭解底層技術

【作者: Richard Anslow等人】   2021年08月23日 星期一

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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介面的可靠性,則先要深入瞭解底層技術選項。


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,這對於所執行的任務非常重要。隨著裝置需要更智慧的系統、更多資料和更高的保真度,其對頻寬的需求也不斷增加。與此同時,速度更快的通訊介面必須在抵抗環境危害和電磁相容性(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,不產生電雜訊,也不被電雜訊過度影響。


機器人和機器視覺

視覺引導機器人可以在高價值製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,機器人只能重複執行同樣的任務,直到被重新編程。有了機器視覺,機器人可以執行更加智慧的任務,例如,在生產線中,可掃描輸送帶上的缺陷產品,並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/機器人介面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介面,包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link,或十億位元乙太網路。


圖一 : 攝影機機器視覺和機器人—乙太網路、USB或Camera Link介面
圖一 : 攝影機機器視覺和機器人—乙太網路、USB或Camera Link介面

表一對比了USB、乙太網路和Camera Link標準的幾大關鍵指標。工業乙太網路具有多種優勢,採用2對100BASE-TX和4對1000BASE-T1標準的線纜最長可達100公尺,採用新推出的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體和濾波器來提高EMC性能。但是,隨著工業控制器普遍採用USB埠,且頻寬最高達到5 Gbps,這為設計人員提供了一些優勢。


表一 機器視覺攝影機的通訊介面標準

參數

USB 2.0

USB 3.0

工業乙太網路

Camera Link

頻寬

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)

電纜長度

5 公尺

3 公尺

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

10 公尺

電源和資料透過同一電纜傳輸?

是,透過乙太網路供電 (PoE)或透過資料線供電 (PoDL)

需要訊框擷取?

電纜成本

EMC性能

低,需要EMC保護、濾波器和訊號/電源隔離

低,需要EMC保護、濾波器和訊號/電源隔離

高(變壓器磁性是乙太網路規格的一部分)

中(LVDS),要求實施訊號/電源隔離,以實現最佳性能


Camera Link要求工業控制器配備專用的訊框擷取硬體。USB或乙太網路無需工業控制器配備額外的訊框擷取卡。Camera Link這個標準最早出現於2000年末,是機器視覺系統最常用的介面。如今,基於USB和乙太網路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。相較於十億位元乙太網路,即使在基本速度下,Camera Link標準輸出的資料量也多達其兩倍,且輸出距離更短。Camera Link實體層基於低壓差模訊號(LVDS),由於與每條線路耦合的共模雜訊都會在接收器端有效消除,因此本身具有EMC穩固性。LVDS實體層的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連結上使用乙太網路,以及採用IEEE 802.1時間敏感網路(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定義了交換式乙太網路中用於時間控制資料路由的第一個IEEE標準。ADI提供全套乙太網路技術,包含實體層收發器和TSN交換機,以及系統級解決方案、軟體和安全功能。


人機介面(HMI)

人機介面(HMI)常用於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)的資料。標準HMI可用於追蹤生產時間,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幕;但是,配備外接顯示幕選項的HMI具有多種優勢。採用外部高清多媒體介面(HDMI)埠的HMI裝置更小巧,更容易安裝到採用標準DIN電源軌的控制台中,也可用於監控PLC。


使用HDMI時,電纜長度可達15公尺,便於路由到觸控顯示螢幕和控制室,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危害會影響佈線。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 : 具備乙太網路和RS-485輸入,以及HDMI輸出的人機介面(HMI)。
圖二 : 具備乙太網路和RS-485輸入,以及HDMI輸出的人機介面(HMI)。

要確保系統穩固性,就需要仔細選擇介面技術。隨著工業乙太網路迅速發展,現場匯流排技術(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(工業乙太網路實施)安裝基數為2600萬個節點,僅2018年安裝的元件數量就達到510萬。[1]


如之前所述,利用基於乙太網路的技術可以實現高EMC性能,這是因為電磁被寫入IEEE 802.3乙太網路標準,且必須在每個節點使用。RS-485元件可以包含電磁隔離,以提高抗雜訊能力;保護二極體可以整合在晶片內,或者置於通訊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保護二極體來提高訊號穩固性。對於工業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乙太網路和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,這些光纖支援十億位元傳送速率。ADI關於電磁隔離技術的最新進展(例如 ADN4654/ADN4655/ADN4656 系列,其資料速率可以超過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元件(CCD)感測器。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,在製造成本和圖像品質方面的表現並不理想。[2]


近期的外科成像設備透過轉向數位化來克服這些挑戰,且從CCD轉向CMOS感測器,後者的尺寸易於擴展,且可嵌入攝影機頭部。使用CMOS攝影機之後,無需串列連接多個鏡頭,且可以改善整體的圖像品質。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]


在轉向數位內視鏡之後,CMOS圖像感測器(接觸患者)和攝影機控制器(CCU)之間必須提供高速電子介面。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實體層,提供高頻寬和相對較低的功率。[4] 這種介面與影像內視鏡中的介面不同,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圖像感測器的數位內視鏡的電子介面。
圖三 : 帶CMOS圖像感測器的數位內視鏡的電子介面。

對於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元件提出了嚴格要求。要使用高頻寬解決方案傳輸圖像資料,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圖像感測器到內視鏡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範圍內執行高頻寬傳輸,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,用於呼吸輔助和監測。關於患者的資訊會顯示在醫療設備內建的圖形顯示器中,便於操作人員查看。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。對於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,應在醫療設備與週邊設備之間的外部連接中增加隔離,以保護患者。對於傳統的低速介面(例如RS-232、RS-485和CAN)來說,這種隔離可能並不重要,可以使用標準數位隔離器來實現。


另一方面,視訊連接埠與外部顯示器的隔離會造成獨特的挑戰。顯示器的標準化介面的頻寬要求遠遠超過使用合適數量的光耦合器或標準數位隔離器可以實現的頻寬。嘗試隔離影像界面的整個訊號鏈會使複雜度進一步增加。例如,HDMI 1.3a協定不止包含用於傳輸影像資料的轉換最小化差模訊號(TMDS),還包括用於交換影像/格式資訊、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定(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數位隔離

當影像和攝影機應用需要高頻寬和可靠的安全性時,系統設計人員可以使用ADN4654系列LVDS數位隔離器這種新選擇。這些元件提供雙通道隔離,每個通道的資料速率高達1.1 Gbps,這代表數位隔離在速度方面的一大躍進。它們採用20接腳SSOP封裝,提供2.2 Gbps總輸送量,相較於基於傳統的數位隔離器的解決方案,其體積大幅減小。



圖四 : ADN4654千兆LVDS隔離器框圖。
圖四 : ADN4654千兆LVDS隔離器框圖。

以影像連結為例,可以在60 Hz下傳輸24位元的顏色,解析度為1920 ×1080 (1080 p)。要跨越隔離閘傳輸所需的資訊,需要總頻寬達到4.4 Gbps。典型的光纖解決方案具有足夠的頻寬,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。使用標準數位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。為簡單的高頻寬介面增加隔離時,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資料速率,可以降低系統的複雜性,而且,僅使用兩個裝置即可實現4.4 Gbps頻寬。每項裝置都有兩個通道,總共四個,每個通道都以1.1 Gbps運行。具備高通道頻寬之後,則不再需要訊號鏈中的任何SERDES模組。在需要對不止一個介面實施隔離的系統中,空間和複雜性的改善得以兼顧。


以高於1 Gbps的速率運行的實體層介面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元件(例如數位隔離器)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採樣餘裕,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,元件與元件之間則為600 ps,因此非常適合隔離這些高頻寬介面。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,採用PRBS-23(偽隨機二進位序列)模式。模式運行長度少於23位元,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,改善後超過了這些值。


ADN4654/ADN4655/ADN4656元件利用內部LDO調節器來提供彈性的電源配置,可用於多種通道配置。ADN4654採用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,使得這些元件適合1 MOPP(來自250 V rms電源)至IEC 60601標準。透過利用封裝將元件的爬電距離和間隙增加到大於8 mm,其能夠作為2 MOPP隔離系統的元件使用。



圖五 : 基於ADN4654的系統可以輕鬆隔離高頻寬介面。
圖五 : 基於ADN4654的系統可以輕鬆隔離高頻寬介面。

根據電路筆記CN-0422隔離HDMI

在為影像介面增加安全隔離時,影像協定本身的複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,而對於設備製造商來說,這是一個非常棘手的問題。隨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已成為商用高解析度電視和顯示器的實際標準之一。HDMI之所以能大獲成功,因歸功於其功能組和可靠的互通性。


EVAL-CN0422-EBZ 參考設計 可作為一種隨插即用型解決方案,適合想要為現有的HDMI 1.3a視訊連接埠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,用於隔離HDMI 1.3a協議。
圖六 : EVAL-CN0422-EBZ參考設計,用於隔離HDMI 1.3a協議。

HDMI 1.3a協定中的影像資料在四條TMSD線路中傳輸:三條資料線路,一條時脈線路。每條線路都必須單獨隔離。傳統的數位隔離器不支援TMDS的高頻寬或差分特性,因此不太適用。雖然TMDS與LVDS稍有不同,但可透過簡單的被動元件相容符合LVDS要求的裝置。這些被動元件結合兩個雙通道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的圖元時脈頻率,在幀率為60 Hz時,支援720 p解析度。


HDMI協定包含其他用於進行控制的低速訊號:顯示資料通道(DDC)、消費電子控制(CEC)和熱插拔檢測(HPD)。DDC用於允許源極讀取來自EEPROM的顯示器EEID資料,並交換相關的格式化資訊。CEC訊號允許在多個連接的源裝置和接收裝置之間共用功能。檢測到HPD具有附加源(表示有與之相連的元件)時,HPD由接收裝置置位元。這些控制訊號都使用兩個 ADuM1250 元件隔離,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,用於為隔離元件的顯示(接收)側供電。根據標準要求,275 mW會傳輸至HDMI電纜,以支援接收裝置。參考設計用於隔離HDMI源裝置,但可以輕鬆採用隔離電源電路來隔離HDMI接收裝置。


工業乙太網路

對於機器視覺應用,ADI的多協定乙太網路交換器、乙太網路實體層收發器,以及所有平台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埠工業乙太網路嵌入式交換器,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。


透過使用這些工業乙太網路嵌入式交換器,可以選擇適合您應用的處理器類型,無需被迫使用特定供應商的協定堆疊。REM連接到處理器的記憶體匯流排,看起來與該匯流排上的任何其他周邊裝置都一樣。REM的儲存週期降至32 ns(32位元匯流排為125 Mbps)以支援EtherCAT的12.5 μs週期,以及PROFINET IRT的31.25 μs週期。資料使用優先通道佇列在交換器之間來回傳輸,因此即時資料傳輸可以無延遲地中斷非即時資料傳輸。這些佇列由交換機驅動程式管理並與協定堆疊介面,以實現盡可能高效的資料傳輸。這也表示應用軟體不必費心管理交換機,設定低位準暫存器或追蹤複雜的時間管理過程。


工業乙太網路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路載入的影響。該優勢可確保您的應用程式在任何時候都能夠啟動並運行。REM交換機對資料封包進行智慧過濾,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順序流量,並保證及時發送高優先級資料封包,無需考慮總資料封包負載。


ADI的 ADIN1100、ADIN1200和ADIN1300 工業乙太網路實體層元件(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,適用於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,該產品組合支援10 Mbps、100 Mbps和1 Gbps的資料速率。其專為大幅提高資料傳輸和訊號完整性而開發,採用小型封裝,同時支援多個MAC介面。工業乙太網路實體層套件適合在擴展的工業環境溫度範圍內運行,可為目前及未來的工業乙太網路應用提供高水準可靠性。ADIN1100 10BASE-T1L PHY透過長達1 km的單根雙絞線提供10 Mbps乙太網路連接,且支援危險區域使用案例(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元件提供乙太網路連接,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頻寬影像或攝影機介面的應用要求,並討論了在採用這些介面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數位隔離器系列ADN4654/ADN4655/ADN4656,提供隔離高頻寬介面的新選項。


●業界首款電氣隔離影像及攝影機埠,相較於龐大的光纖解決方案,有助於降低成本和複雜性。


●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。範例之一就是根據HDMI標準測試的 參考設計。


●整套工業乙太網路產品,包含技術、解決方案、軟體和安全功能,這些產品目的在將現實世界連接到工廠網路,再連接到雲端。


結論

ADI利用其深厚的領域專業知識和先進技術,幫助合作夥伴連接未來工業套件和網路。業界首款Gigabit電氣隔離技術提供替代方案,用於在各種醫療和工業應用中隔離影像和攝影機介面。ADI的乙太網路解決方案利用TSN乙太網路交換機和低延遲、低功耗、長線纜的實體層收發器,確保在嚴苛的工業應用中可靠傳輸關鍵資料。


(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,完整全文請至CTIMES官網閱讀)


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.


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