【導(dǎo)讀】隨著工業(yè)4.0進(jìn)程的推進(jìn)，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(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)無(wú)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(shù)特性，也讓客戶的產(chǎn)品更具技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力和生命周期長(zhǎng)久性。本文將重點(diǎn)介紹ADI的多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)方案及其模塊級(jí)產(chǎn)品，闡述該方案及模塊級(jí)產(chǎn)品在可靠性和技術(shù)前瞻性方面的優(yōu)勢(shì)。
隨著工業(yè)4.0進(jìn)程的推進(jìn)，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(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)無(wú)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(shù)特性，也讓客戶的產(chǎn)品更具技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力和生命周期長(zhǎng)久性。本文將重點(diǎn)介紹ADI的多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)方案及其模塊級(jí)產(chǎn)品，闡述該方案及模塊級(jí)產(chǎn)品在可靠性和技術(shù)前瞻性方面的優(yōu)勢(shì)。
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(chǎng)，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(guò)多個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，最終匯總到云端數(shù)據(jù)中心進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)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(luò)，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(jìn)的千兆TSN工業(yè)以太網(wǎng)。針對(duì)行業(yè)內(nèi)要求的可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的原則，百兆或千兆以太網(wǎng)形式將會(huì)是未來(lái)的統(tǒng)一化趨勢(shì)。
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(dǎo)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(shè)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(shù)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(duì)客戶主控平臺(tái)的依賴度低，正在受到越來(lái)越多客戶的關(guān)注。
圖1 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的通信架構(gòu)
二、交換機(jī)方案的技術(shù)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(hào)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的百兆PHY芯片，型號(hào)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(dòng)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(dāng)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(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN），該前瞻性的特點(diǎn)，使客戶的產(chǎn)品一經(jīng)設(shè)計(jì)便充分考慮到了未來(lái)化技術(shù)架構(gòu)。對(duì)客戶來(lái)講，這是對(duì)將來(lái)產(chǎn)品的預(yù)投資，能顯著降低未來(lái)研發(fā)投入。從該方案的工作原理來(lái)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(diǎn)與優(yōu)勢(shì)分析
FIDO5200是實(shí)時(shí)以太網(wǎng)多協(xié)議（REM）交換芯片，具備兩個(gè)獨(dú)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(shè)計(jì)，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(luò)的性能。TSN網(wǎng)絡(luò)的最基本特性是基于時(shí)間保障的數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)絡(luò)會(huì)將所有數(shù)據(jù)分類為時(shí)間敏感數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù)，按照其緊急程度進(jìn)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(luò)的特點(diǎn)，F(xiàn)IDO5200方案具備如下特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
? 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(shí)現(xiàn)高性能、低抖動(dòng)、低延遲的工業(yè)以太網(wǎng)，ADI將此技術(shù)稱之為Priority Channel，其包含了軟硬件協(xié)同的技術(shù)。無(wú)論是什么樣的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)利用率，這項(xiàng)技術(shù)都可以保障實(shí)時(shí)通道數(shù)據(jù)優(yōu)先于普通數(shù)據(jù)得到處理，落實(shí)TSN網(wǎng)絡(luò)中“盡力而為”的原則。
? 定時(shí)器控制器單元
定時(shí)器控制單元是用來(lái)同步各個(gè)以太網(wǎng)協(xié)議的。FIDO5200設(shè)計(jì)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(hào)，這些信號(hào)是與同步時(shí)間信號(hào)是同相的，以達(dá)到加蓋時(shí)間戳的目的，最終將用戶的應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。
? 低延遲的響應(yīng)
在一些工業(yè)總線應(yīng)用中，對(duì)數(shù)據(jù)和指令的延遲是非常苛刻的，例如高性能多軸同步移動(dòng)。它對(duì)控制指令時(shí)序的要求非常精準(zhǔn)，也就是說(shuō)對(duì)指令到達(dá)的時(shí)間是非常敏感的，加之控制算法與指令的復(fù)雜性，以太網(wǎng)傳輸延遲的情況將直接影響這種應(yīng)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(jìn)行計(jì)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(lái)源為ADI)
四、ADIN2299模塊級(jí)平臺(tái)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(jí)平臺(tái)產(chǎn)品方案。由于最新方案為ADI的第二代新升級(jí)，該產(chǎn)品被命名代號(hào)為RPG2，并具體化了產(chǎn)品型號(hào)為ADIN2299。下圖（圖6）為該模塊產(chǎn)品的實(shí)物圖，它是一款尺寸為38mm*38mm的BGA模塊板，其上集成了多個(gè)ADI器件，最大功耗小于800mW。
圖6 ADIN2299模塊產(chǎn)品的實(shí)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(chǔ)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(guò)全面測(cè)試的預(yù)認(rèn)證模塊。模塊搭配了全面的軟件支持，提供API庫(kù)用于快速系統(tǒng)集成?？蛻粼谶M(jìn)行使用時(shí)，需搭配主控處理器，并通過(guò)SPI、UART或以太網(wǎng)接口進(jìn)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(dòng)、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)安全固件、WEB服務(wù)等。
圖7 模塊級(jí)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(diǎn)介紹了圍繞FIDO5200的系統(tǒng)級(jí)方案和ADIN2299模塊級(jí)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(wèn)題，并能夠提供未來(lái)化的TSN網(wǎng)絡(luò)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(jìn)技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)成員之一。
作者：駿龍科技
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