工业4.0的基础是可靠的通信基础设施。决策者通过基础设施从机器、现场设备和工厂提取信息。为了保证机器人和人机接口的可靠性，我们必须首先深入了解底层技术选项。
虽然工厂和手术室完全不同，但所使用的设备必须可靠、准确地运行，这对所执行的任务非常重要。对带宽的需求也在增加，因为该装置需要更智能的系统、更多的数据和更高的保真度。同时，更快的通信接口必须抵抗环境危害和电磁兼容性（EMC）同时，提供相同的可靠性和安全性。EMC是指系统能在其运行环境中发挥预期作用，不产生电噪声，也不受电噪声的过度影响。

机器人和机器视觉
在高价值的制造环境中，视觉引导机器人可以提供更高的弹性和更高的生产可靠性。如果没有视觉引导，机器人只能重复同样的任务，直到重新编程。通过机器视觉，机器人可以执行更智能的任务，例如，在生产线上，可以扫描输送带上的缺陷产品，并由调整后的机器人捡起缺陷产品。在危险性EMC在环境(如工厂自动化)中，视觉/机器人接口的可靠性和有效性取决于所选的有线传输技术。实现机器视觉摄像机接口的方法有很多，包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link，或千兆位以太网络。

Camera Link工业控制器必须配备特殊的信框来捕获硬件。USB或者以太网络不需要工业控制器配备额外的信框捕获卡。Camera Link该标准最早出现在2000年底，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摄像头应用更广泛，但需要对多台摄像头进行预处理的应用仍在使用中Camera Link和ㄒ为了减少主要的信框提取器CPU负载。即使在基本速度下，与千兆位以太网相比，Camera Link标准输出的数据量多达两倍，输出距离较短。Camera Link物理基于低压差模信号（LVDS），在接收器端有效消除与每条线路耦合的共模噪声，因此具有EMC稳固性。LVDS物理层的EMC通过电磁隔离可以提高稳定性。
以太网络用于摄像头和机器人的链接IEEE 802.时间敏感网络（TSN）交换机的工业控制器，可以大幅实现工业摄影机和机器人操作同步。TSN用于时间控制数据路由的交换式以太网络的第一个定义IEEE标准。AD包括物理层收发器和以太网络技术在内的全套以太网络技术TSN以及系统级解决方案、软件和安全功能。

人机界面（HMI）
人机接口（HMI）可编程逻辑控制器常用于通过人类可读视觉表达来显示（PLC）的数据。标准HMI可用于跟踪生产时间，监控关键绩效指标（KPI）机器输出。操作员可以使用HMI执行多项任务，包括打开或关闭交换机，以及增加或减少压力或速度。HMI一般配备集成显示屏；但是，配备外部显示选项HMI它有很多优点。采用外部高清多媒体接口（HDMI）端口的HMI设备更小，更容易安装标准DIN电源轨的控制台也可用于监控PLC。
使用HDMI电缆长度可达15公尺，方便路由到触摸屏和控制室，HDMI因为EMC危害会影响接线。连接到电机和泵DIN轨道式PLC时，HMI间接瞬变过压也可能发生在上面。


图二 : 拥有以太网络和RS-485输入，以及HDMI输出的人机接口（HMI）。

要保证系统的稳定性，需要仔细选择接口技术。随着工业以太网络的快速发展，现场总线技术(如CAN或RS-485)越来越受欢迎。据行业消息，全球安装RS-485 （PROFIBUS）有6100多万个节点，PROFIBUS过程自动化（PA）该装置同比增长7%。PROFINET安装基数为2600万个节点，仅2018年就安装了510万个组件。[1]
如之前所述，利用基于以太网络的技术可以实现高EMC因为电磁被写入性能IEEE 802.3以太网络标准，必须在每个节点使用。RS-485组件可包括电磁隔离，以提高抗噪声能力；保护二极管可集成在芯片或通信中PCB提高对静电放电和瞬变过压的抵抗力。
HMI通常需要抗静电放电和使用ESD保护二极管，提高信号稳定性。对于工业HMI，整合增强隔离可以保护操作人员免除电气危险。虽然提供了因应太网络和RS-485的合理隔离解决方案，但现在，图像传输主要采用成本高的光纤进行隔离，支持千兆传输速度。AD电磁隔离技术的最新进展(如 ADN4654/ADN4655/ADN4656 该系列的数据速率可超过1 Gbps）为设计师提供具有竞争力和低成本的替代解决方案。
内视镜
手术成像，包括内视镜，是一种独特的应用，必须在保证患者安全的同时提供高保真图像。上一代内视镜设备被称为图像内视镜，它使用一系列玻璃镜头和光导管将图像从成像头传输到电荷耦合组件（CCD）传感器。以可见光为媒介，将患者的图像传输到内视镜，可隔离有害电流，但制造成本和图像质量不理想。[2]
最近的手术成像设备通过转向数字化来克服这些挑战CCD转向CMOS传感器，后者的尺寸容易扩展，可以嵌入摄像头。使用CMOS相机完成后，无需串行连接多个镜头，可提高整体图像质量。降低生产成本，使用一次性手术内视镜成为可能，因此无需担心消毒。摄像头进一步缩小，使微创手术成为可能。[3]
转向数字内视镜后，CMOS图像传感器(接触患者)和摄像头控制器（CCU）之间必须提供高速电子接口。LVDS可扩展低压信号（SLVS）层逐渐成为实现这种互连的常用物理层，提供高带宽和相对较低的功率。[4] 与图像内视镜中的接口不同，这种接口目前是电子的，可以传输危险电流。由于没有光学介质的隔离性，因此该系统必须确保隔离患者和潜在的有害电流。



图三 : 带CMOS数字内视镜的电子接口，图像传感器。

对于任何连接主电源的医疗系统，患者的安全都是至高无上的。IEC 60601医疗电机设备标准（MOPP）对免受有害电压伤害的部件提出了严格要求。要使用高带宽解决方案传输图像数据，同时满足这些严格的安全要求，这为系统设计人员带来了重大挑战。从CMOS图像传感器到内视镜CCU电子图像传输就是这样一个例子，两者之间需要建立符合安全要求的高速连接。AD在可信的安全范围内实施高带宽传输的独特解决方案，以满足需求IEC 60601-1标准要求。

医疗显示器
其他医疗设备，如呼吸机和心电图（ECG），呼吸辅助和监测直接与患者相连。医疗设备内建造的图形显示器中会显示患者的信息，方便操作人员查看。根据IEC 60101标准，医疗设备中的显示器已知、可信、已认证，可作为医疗设备使用。对于任何现成的外部电视和显示器，示器。为确保病人的安全，应在医疗设备与外围设备之间的外部连接中增加隔离，以保护病人。对于传统的低速接口(如RS-232、RS-485和CAN）来说，这种隔离可能并不重要，可以使用标准数字隔离器来实现。
另一方面，视频端口与外部显示器的隔离会造成独特的挑战。标准化接口的带宽要求远远超过使用适当数量的光耦合器或标准数字隔离器的带宽。整个信号链试图隔离图像界面，会进一步增加复杂性。例如，HDMI 1.3a该协议不仅包括用于传输图像数据转换的最小差模信号（TMDS），还包括图像/格式信息、电源电路的交换和检测AD授权代理商双向控制信号显示(接收器)装置之间的连接和断开。
在增加系统设计师视为障碍物的电机隔离时，必须考虑所有这些因素。在许多情况下，以前的方法可能无法为这些显示港增加安全隔离门，因此外部显示港不包括在医疗系统中。AD提供常用图像协议(例如HDMI 1.3a）实施电气隔离的参考设计 ，这样，当需要保护患者时，可以直接增加额外的安全保护。

Gigabit数字隔离
当图像和摄像机需要高带宽和可靠的安全性时，系统设计师可以使用它ADN4654系列LVDS这是数字隔离器的新选择。这些组件提供双信道隔离，每个信道的数据速率高达1.1 Gbps，这代表数字隔离在速度方面的一大跃进。采用20接脚SSOP封装，提供2.2 Gbps与传统的数字隔离器解决方案相比，总吞吐量大大降低。




图四 : ADN4654千兆LVDS隔离器框图。

以图像链接为例，可以是60 Hz分辨率为1920 ×1080 （1080 p）。跨隔离门传输所需信息，总带宽4.4 Gbps。典型的光纤解决方案有足够的带宽，但需要串行化器、反串行化器和电光转换器从铜介质转换为光纤。使用标准数字隔离器的解决方案还需要使用串行化器、反串行化器和30多个信道隔离，每个信道为150 Mbps运行。为简单的高带宽接口增加隔离时，这两种方案都会对系统设计师造成成本。
利用ADN4654的Gigabit数据速率可以降低系统的复杂性，只有两个装置才能实现4.4 Gbps带宽。每个装置有两个信道，共四个，每个通道为1.1 Gbps运行。有了高信道带宽，信号链中就不再需要任何东西了SERDES模块。在需要隔离多个接口的系统中，可以考虑空间和复杂性的改进。
以高于1 Gbps物理层接口的速度运行有严格的抖动和偏差要求，以确保可靠的通信。任何组件（如数字隔离器）的抖动和偏差都必须最小化，以免影响系统性能。过度的抖动和偏差可能会影响接收器的采样过剩，提高整体误码率。ADN4654可达到行业领先的偏差性能，最大100 ps，组件和组件之间的600 ps，因此，这些高带宽接口非常适合隔离。ADN4654带来最少的抖动，最大的随机抖动是4.8 ps rms，最大峰对峰确定为116 ps，采用PRBS-23(伪随机二进制序列)模式。模式运行长度小于23位是很常见的，而编码方案运行长度较短的协议(如8B/10B在编码中，抖动性能得到了改善，超过了这些值。
ADN4654/ADN4655/ADN4656组件利用内部LDO可用于各种信道配置的调节器提供弹性电源方案。ADN4654采用20接脚宽体SOIC包装，或20接脚节省空间SSOP封装。SOIC封装提供5 kV rms隔离和7.8 mm爬电距离和间隙使这些组件适合1 MOPP（来自250 V rms电源）至IEC 60601标准。组件的爬电距离和间隙通过封装增加到8以上 mm，其能够作为2 MOPP使用隔离系统的组件。



图五 : 基于ADN高带宽接口可轻松隔离4654系统。

根据电路笔记CN-0422隔离HDMI
在增加图像界面的安全隔离时，图像协议本身的复杂性将成为一个巨大的挑战。必须建议隔离各种图像、控制和电源信号，这对设备制造商来说是一个非常困难的问题。即插即用设计解决方案有助于缩短实现功能设计所需的系统开发时间。
自2002年底推出以来，HDMI已成为商用高分辨率电视和显示器的实际标准之一。HDMI由于其功能组和可靠的互操作性，能够取得巨大成功。
EVAL-CN0422-EBZ 参考设计 它可以作为一种即插即用解决方案，适合现有的HDMI 1.3a增加视频端口电气隔离功能的用户。 iCoupler 该技术可以跨越隔离门传输所需的功率和高速图像，并控制信号。



图六 : EVAL-CN0422-EBZ隔离采用参考设计HDMI 1.3a协议。

HDMI 1.3a协议中的图像数据在四条TMSD传输：三条数据线，一条频率线。每条线路必须单独隔离。传统的数字隔离器不支持TMDS不适用于高带宽或差异特性。虽然TMDS与LVDS有点不同，但可以与简单的被动组件兼容LVDS所需设备。这些被动组件结合两个双信道Gigabit ADN4654隔离LVDS所有四个收发器都被隔离TMDS线路。高达110 MHz的像素频率频率，在帧率为60 Hz时，支持720 p分辨率。
HDMI该协议包括其他用于控制的低速信号：显示数据信道（DDC）、电子消费控制（CEC）热插入检测（HPD）。DDC允许源极读取EEPROM的显示器EEID交换相关格式化信息的数据。CEC信号允许在多连接的源装置和接收装置之间共享功能。检测到HPD附加源(表示与之相连的组件)，HPD接收装置的位置。使用两个控制信号 ADuM1250 如有必要，可对这些信号进行双向隔离。使用ADuM与双向隔离通道相关的设计挑战可以大大简化。
参考设计包括隔离DC-DC电源转换器 ADuM为隔离组件的显示(接收)侧供电5020。根据标准要求，275 mW会传输至HDMI支持接收装置的电缆。用于隔离的参考设计HDMI但是，隔离电源电路可以很容易地隔离HDMI接收装置。

工业以太网
对机器视觉应用，AD以太网络交换器、以太网络物理收发器和所有平台解决方案的产品组合都保证了无缝连接和运行效率。
AD的 fido5100/fido5200 REM交换器系列包括两个两端口工业以太网嵌入式交换器，可以连接到任何处理器，包括任何处理器ArmR CPU和AD的 fido1100 通信控制器。
通过使用这些工业以太网嵌入式交换器，您可以选择适合您的处理器类型，而无需被迫使用特定供应商的协议堆栈。REM连接到处理器的内存总线与总线上的任何其他周围设备都一样。REM储存周期降至32 ns（32位总线为125 Mbps）以支持EtherCAT的12.5 μs周期，以及PROFINET IRT的31.25 μs周期。优先信道队列在交换器之间来回传输数据，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管理，并与协议堆理，以实现尽可能高效的数据传输。这也意味着应用软件不必管理交换机，设置低准缓存器或跟踪复杂的时间管理过程。
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不会受到网络加载的影响。这一优势可以确保您的应用程序随时启动和运行。REM交换机智能过滤数据包，防止处理器干扰流量，根据处理器负载管理低优先流量，确保高优先数据包及时发送，无需考虑总数据包负载。
AD的 ADN1100、ADN1200和ADN1300 工业以太网物理组件（PHY）目的是在严格的工业环境下实现稳定性。这些产品已经广泛完成EMC适用于需要可预测和安全通信的可靠性测试。利用行业领先的低延迟和低功耗PHY该产品组合支持10项技术 Mbps、100 Mbps和1 Gbps数据速率。其专为大幅提高数据传输和讯号完整性而开发，采用小型封装，同时支持多个MAC接口。工业以太网工业环境温度范围内的工业以太网物理层套件，可为当前和未来的工业以太网应用提供高水平的可靠性。ADN1100 10BASE-T1L PHY透过长达1 km单双绞线10 Mbps以太网络连接，支持危险区域使用案例(本质安全区域0应用)，有时被称为Ethernet-APL。ADN以太网络连接通过基本安全认证的组件，如在危险区域运行HMI、工业图像摄像机和热感应摄像机。

AD提供哪些首发产品？
本文描述了安全可靠的高带宽图像或相机接口在工业和医疗应用中的应用要求，并讨论了保持关键性能的重要技术选项。AD包括：
●业界首款Gigabit数字隔离系列ADN4654/ADN4655/ADN提供隔离高带宽接口的新选项。

●与庞大的光纤解决方案相比，业内首款电气隔离图像和摄像机端口有助于降低成本和复杂性。

●按规定进行测试的系统解决方案减少了测试和合规性问题。其中一个例子是基于HDMI标准测试的 参考设计。

●整个工业以太网产品，包括技术、解决方案、软件和安全功能，目的是将现实世界连接到工厂网络和云端。

结论
AD利用其深厚的专业知识和先进的技术，帮助合作伙伴连接未来的工业套件和网络。业界首款Gigabit在各种医疗和工业应用中，电气隔离技术提供隔离图像和摄像机接口的替代方案。AD的以太网络解决方案利用TSN以太网的工业应用中，以太网交换机和低延迟、低功耗、长电缆的物理层收发器可靠地传输关键数据。
(本文作者为AD系统应用工程师Richard Anslow 产品应用工程师Neil Quinn）

参考电路
[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.