【導讀】隨著工業4.0進程的推進，市面上急需能夠融合多種協議的工業以太網方案，以實現工業現場數據無縫互聯的愿景。ADI近幾年不斷完善推出的Chronous系列產品，不僅加速了客戶工業以太網通信類產品的上市，前瞻性的技術特性，也讓客戶的產品更具技術競爭力和生命周期長久性。本文將重點介紹ADI的多協議工業以太網方案及其模塊級產品，闡述該方案及模塊級產品在可靠性和技術前瞻性方面的優勢。
隨著工業4.0進程的推進，市面上急需能夠融合多種協議的工業以太網方案，以實現工業現場數據無縫互聯的愿景。ADI近幾年不斷完善推出的Chronous系列產品，不僅加速了客戶工業以太網通信類產品的上市，前瞻性的技術特性，也讓客戶的產品更具技術競爭力和生命周期長久性。本文將重點介紹ADI的多協議工業以太網方案及其模塊級產品，闡述該方案及模塊級產品在可靠性和技術前瞻性方面的優勢。
一、多協議融合的迫切需求
在現代化的工業生產現場，傳感器和執行器都依靠大量的有線連接傳輸數據和指令，通過多個層次的網絡設備，最終匯總到云端數據中心進行可視化監測與控制。如下圖（圖1）所示，數據連接的形式既包括傳統的485總線、普通以太網絡，也含有近幾年推行的百兆工業以太網，還可能包含最先進的千兆TSN工業以太網。針對行業內要求的可靠性高、實時性強的原則，百兆或千兆以太網形式將會是未來的統一化趨勢。
由于工業以太網的歷史發展因素，目前在行業內已經形成了許多協議共存的局面，由西門子、倍福、施耐德等公司主導推行的協議已經覆蓋了現有工業生產線的各式設備，這其中包括PROFINET、EtherCAT、EtherNet/IP、Modbus TCP、POWERLINK等，因此，一些注重工業技術的IC廠商開始不斷推出跨多協議的接入方案。ADI公司的方案是業內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 工業現場數據的通信架構
二、交換機方案的技術架構
ADI的多協議工業以太網解決方案，是基于MCU+Switch+Phy的整套方案，其中最核心的是型號為FIDO5200的以太網交換芯片，其內置了多種工業協議，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必須內置MAC協議的情況，ADI提供協議的驅動程序，包括業內主流的5種工業以太網協議，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，以加速客戶的產品快速開發。
圖2 ADI解決方案整體結構圖
圖3 方案的工作原理架構
值得注意的是，FIDO5200作為ADI Chronous家族中最重要的產品之一，能夠支持時間敏感網絡（TSN），該前瞻性的特點，使客戶的產品一經設計便充分考慮到了未來化技術架構。對客戶來講，這是對將來產品的預投資，能顯著降低未來研發投入。從該方案的工作原理來看，FIDO5200適合幾乎任何處理器、任何協議、任何堆棧。
三、FID05200的特點與優勢分析
FIDO5200是實時以太網多協議（REM）交換芯片，具備兩個獨立的以太網端口，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，可以顯著提高現有網絡的性能。TSN網絡的最基本特性是基于時間保障的數據交互，網絡會將所有數據分類為時間敏感數據和普通數據，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網絡的特點，FIDO5200方案具備如下特點優勢：
? 內存總線通信接口
FIDO5200和MCU之間以內存總線作為接口方式，實現高性能、低抖動、低延遲的工業以太網，ADI將此技術稱之為Priority Channel，其包含了軟硬件協同的技術。無論是什么樣的協議和網絡利用率，這項技術都可以保障實時通道數據優先于普通數據得到處理，落實TSN網絡中“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協議的。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絡時間同步。
? 低延遲的響應
在一些工業總線應用中，對數據和指令的延遲是非常苛刻的，例如高性能多軸同步移動。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，以太網傳輸延遲的情況將直接影響這種應用的表現。ADI的方案能夠充分保證工業以太網低數據延遲，如下圖（圖5）所示，為該方案的各功能元素造成的延遲表現，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(*以上數據來源為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方式，ADI還推出了基于上述方案的模塊級平臺產品方案。由于最新方案為ADI的第二代新升級，該產品被命名代號為RPG2，并具體化了產品型號為ADIN2299。下圖（圖6）為該模塊產品的實物圖，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產品，并配套了系統電源方案。該產品是一款已經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庫用于快速系統集成。客戶在進行使用時，需搭配主控處理器，并通過SPI、UART或以太網接口進行參數配置和數據交互。ADI搭配該模塊提供的軟件包含了協議棧、底層硬件驅動、文件系統、數據安全固件、WEB服務等。
圖7 模塊級產品的原理框圖
五、總結
本文介紹了ADI的多協議工業以太網方案，重點介紹了圍繞FIDO5200的系統級方案和ADIN2299模塊級產品，為客戶解決多協議工業以太網的數據打通與融合問題，并能夠提供未來化的TSN網絡性能。多協議工業以太網方案是ADI Chronous系列產品中重要一環，此外還有更多先進技術方案處于不斷完善和發布中，使ADI成為布局工業4.0生態系統的關鍵技術成員之一。
作者：駿龍科技
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