【導讀】隨著工業(yè)4.0進程的推進,市面上急需能夠融合多種協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)方案,以實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)無縫互聯(lián)的愿景。ADI近幾年不斷完善推出的Chronous系列產(chǎn)品,不僅加速了客戶工業(yè)以太網(wǎng)通信類產(chǎn)品的上市,前瞻性的技術特性,也讓客戶的產(chǎn)品更具技術競爭力和生命周期長久性。本文將重點介紹ADI的多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)方案及其模塊級產(chǎn)品,闡述該方案及模塊級產(chǎn)品在可靠性和技術前瞻性方面的優(yōu)勢。
隨著工業(yè)4.0進程的推進,市面上急需能夠融合多種協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)方案,以實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)無縫互聯(lián)的愿景。ADI近幾年不斷完善推出的Chronous系列產(chǎn)品,不僅加速了客戶工業(yè)以太網(wǎng)通信類產(chǎn)品的上市,前瞻性的技術特性,也讓客戶的產(chǎn)品更具技術競爭力和生命周期長久性。本文將重點介紹ADI的多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)方案及其模塊級產(chǎn)品,闡述該方案及模塊級產(chǎn)品在可靠性和技術前瞻性方面的優(yōu)勢。
一、多協(xié)議融合的迫切需求
在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場,傳感器和執(zhí)行器都依靠大量的有線連接傳輸數(shù)據(jù)和指令,通過多個層次的網(wǎng)絡設備,最終匯總到云端數(shù)據(jù)中心進行可視化監(jiān)測與控制。如下圖(圖1)所示,數(shù)據(jù)連接的形式既包括傳統(tǒng)的485總線、普通以太網(wǎng)絡,也含有近幾年推行的百兆工業(yè)以太網(wǎng),還可能包含最先進的千兆TSN工業(yè)以太網(wǎng)。針對行業(yè)內(nèi)要求的可靠性高、實時性強的原則,百兆或千兆以太網(wǎng)形式將會是未來的統(tǒng)一化趨勢。
由于工業(yè)以太網(wǎng)的歷史發(fā)展因素,目前在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了許多協(xié)議共存的局面,由西門子、倍福、施耐德等公司主導推行的協(xié)議已經(jīng)覆蓋了現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)線的各式設備,這其中包括PROFINET、EtherCAT、EtherNet/IP、Modbus TCP、POWERLINK等,因此,一些注重工業(yè)技術的IC廠商開始不斷推出跨多協(xié)議的接入方案。ADI公司的方案是業(yè)內(nèi)最受歡迎的解決方案之一,該方案對客戶主控平臺的依賴度低,正在受到越來越多客戶的關注。
圖1 工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信架構(gòu)
二、交換機方案的技術架構(gòu)
ADI的多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)解決方案,是基于MCU+Switch+Phy的整套方案,其中最核心的是型號為FIDO5200的以太網(wǎng)交換芯片,其內(nèi)置了多種工業(yè)協(xié)議,如下圖(圖2)所示。此外,ADI還提供通過標準認證的百兆PHY芯片,型號為ADIN1200。方案的主控芯片由客戶決定,不再依賴于以往此類方案的MCU必須內(nèi)置MAC協(xié)議的情況,ADI提供協(xié)議的驅(qū)動程序,包括業(yè)內(nèi)主流的5種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,如下圖(圖3)所示。當然,ADI也提供了基于自有品牌MCU的配套方案,并搭配了固件,以加速客戶的產(chǎn)品快速開發(fā)。
圖2 ADI解決方案整體結(jié)構(gòu)圖
圖3 方案的工作原理架構(gòu)
值得注意的是,F(xiàn)IDO5200作為ADI Chronous家族中最重要的產(chǎn)品之一,能夠支持時間敏感網(wǎng)絡(TSN),該前瞻性的特點,使客戶的產(chǎn)品一經(jīng)設計便充分考慮到了未來化技術架構(gòu)。對客戶來講,這是對將來產(chǎn)品的預投資,能顯著降低未來研發(fā)投入。從該方案的工作原理來看,F(xiàn)IDO5200適合幾乎任何處理器、任何協(xié)議、任何堆棧。
三、FID05200的特點與優(yōu)勢分析
FIDO5200是實時以太網(wǎng)多協(xié)議(REM)交換芯片,具備兩個獨立的以太網(wǎng)端口,采用10mm*10mm的小面積BGA封裝,小于180mW的低功耗設計,如下圖(圖4)所示。
圖4 FIDO5200芯片接口功能
使用FIDO5200的交換芯片方案,可以顯著提高現(xiàn)有網(wǎng)絡的性能。TSN網(wǎng)絡的最基本特性是基于時間保障的數(shù)據(jù)交互,網(wǎng)絡會將所有數(shù)據(jù)分類為時間敏感數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù),按照其緊急程度進行可靠傳輸,這就要求交換芯片的低延遲和高速度。為了滿足TSN網(wǎng)絡的特點,F(xiàn)IDO5200方案具備如下特點優(yōu)勢:
? 內(nèi)存總線通信接口
FIDO5200和MCU之間以內(nèi)存總線作為接口方式,實現(xiàn)高性能、低抖動、低延遲的工業(yè)以太網(wǎng),ADI將此技術稱之為Priority Channel,其包含了軟硬件協(xié)同的技術。無論是什么樣的協(xié)議和網(wǎng)絡利用率,這項技術都可以保障實時通道數(shù)據(jù)優(yōu)先于普通數(shù)據(jù)得到處理,落實TSN網(wǎng)絡中“盡力而為”的原則。
? 定時器控制器單元
定時器控制單元是用來同步各個以太網(wǎng)協(xié)議的。FIDO5200設計了4組通用輸入輸出通道,可以用于輸入捕捉、輸出方波型號,這些信號是與同步時間信號是同相的,以達到加蓋時間戳的目的,最終將用戶的應用于網(wǎng)絡時間同步。
? 低延遲的響應
在一些工業(yè)總線應用中,對數(shù)據(jù)和指令的延遲是非??量痰模绺咝阅芏噍S同步移動。它對控制指令時序的要求非常精準,也就是說對指令到達的時間是非常敏感的,加之控制算法與指令的復雜性,以太網(wǎng)傳輸延遲的情況將直接影響這種應用的表現(xiàn)。ADI的方案能夠充分保證工業(yè)以太網(wǎng)低數(shù)據(jù)延遲,如下圖(圖5)所示,為該方案的各功能元素造成的延遲表現(xiàn),若代入有效載荷進行計算,該方案造成的總延遲僅為20~30uS左右。
圖5 各功能元素造成的延遲表現(xiàn)(*以上數(shù)據(jù)來源為ADI)
四、ADIN2299模塊級平臺方案介紹
為了給客戶提供更直接快速的開發(fā)方式,ADI還推出了基于上述方案的模塊級平臺產(chǎn)品方案。由于最新方案為ADI的第二代新升級,該產(chǎn)品被命名代號為RPG2,并具體化了產(chǎn)品型號為ADIN2299。下圖(圖6)為該模塊產(chǎn)品的實物圖,它是一款尺寸為38mm*38mm的BGA模塊板,其上集成了多個ADI器件,最大功耗小于800mW。
圖6 ADIN2299模塊產(chǎn)品的實物圖
下圖(圖7)為ADIN2299模塊的原理框圖,ADIN2299模塊在前文所述方案的基礎上,將主控MCU采用為ADI自主的ADSP-CM409產(chǎn)品,并配套了系統(tǒng)電源方案。該產(chǎn)品是一款已經(jīng)過全面測試的預認證模塊。模塊搭配了全面的軟件支持,提供API庫用于快速系統(tǒng)集成??蛻粼谶M行使用時,需搭配主控處理器,并通過SPI、UART或以太網(wǎng)接口進行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)交互。ADI搭配該模塊提供的軟件包含了協(xié)議棧、底層硬件驅(qū)動、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)安全固件、WEB服務等。
圖7 模塊級產(chǎn)品的原理框圖
五、總結(jié)
本文介紹了ADI的多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)方案,重點介紹了圍繞FIDO5200的系統(tǒng)級方案和ADIN2299模塊級產(chǎn)品,為客戶解決多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)打通與融合問題,并能夠提供未來化的TSN網(wǎng)絡性能。多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)方案是ADI Chronous系列產(chǎn)品中重要一環(huán),此外還有更多先進技術方案處于不斷完善和發(fā)布中,使ADI成為布局工業(yè)4.0生態(tài)系統(tǒng)的關鍵技術成員之一。
作者:駿龍科技
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