對(duì)于工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的智能工廠設(shè)計(jì)者而言，需要能夠快速部署緊湊、強(qiáng)大、低延遲和低功耗的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)接口。工業(yè)以太網(wǎng) (IE) 正在不斷地滿足各種性能要求，它采用以太網(wǎng)協(xié)議下的 PROFINET、EtherNet/IP 或 EtherCAT 等協(xié)議，以及修訂版媒體訪問控制 (MAC) 層，以提供工業(yè) 4.0 設(shè)備所需的低延遲和實(shí)時(shí)性能。

對(duì)于工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的智能工廠設(shè)計(jì)者而言，需要能夠快速部署緊湊、強(qiáng)大、低延遲和低功耗的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)接口。工業(yè)以太網(wǎng) (IE) 正在不斷地滿足各種性能要求，它采用以太網(wǎng)協(xié)議下的 PROFINET、EtherNet/IP 或 EtherCAT 等協(xié)議，以及修訂版媒體訪問控制 (MAC) 層，以提供工業(yè) 4.0 設(shè)備所需的低延遲和實(shí)時(shí)性能。

然而可能面臨的挑戰(zhàn)是，在確保 IE 軟件獲得認(rèn)證以保證運(yùn)行可靠和互操作性的同時(shí)，為靈活地實(shí)施 IE 而收集所有必要的組件。

此外，還存在電源效率和環(huán)境方面的問題。例如，IE 網(wǎng)絡(luò)通常使用線型或環(huán)型網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其布線長(zhǎng)度要少于星型網(wǎng)絡(luò)。然而，線型和環(huán)型網(wǎng)要求每個(gè)設(shè)備提供兩個(gè)以太網(wǎng)端口，這使得物理層 (PHY) 的功率耗散成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

工業(yè)環(huán)境中的溫升以及對(duì)緊湊型解決方案的需求，使得設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)管控 IE 實(shí)施的功耗預(yù)算。

我們來考慮一個(gè)具有 2.5 W 功率耗散預(yù)算的 IE 端口，其中現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)、雙數(shù)據(jù)速率 (DDR) 存儲(chǔ)器和以太網(wǎng)交換機(jī)共消耗 1.8 W。這樣就有 700 mW 可分配給兩個(gè) PHY（圖 1）。

圖 1：以太網(wǎng)線型（中間）或環(huán)型（右）架構(gòu)中的每個(gè)設(shè)備都需要兩個(gè) PHY（左）。（圖片來源：Analog Devices）

除了滿足具有挑戰(zhàn)性的功率耗散預(yù)算要求外，工業(yè)設(shè)備還需要符合國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 和歐洲規(guī)范 (EN) 的若干電磁兼容性/靜電放電 (EMC/ESD) 標(biāo)準(zhǔn)。

· IEC 61000-4-2 ESD
· IEC 61000-4-4 電氣快速瞬態(tài) (EFT)
· IEC 61000-4-5 浪涌
· IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)抗擾度
· EN 55032 輻射和傳導(dǎo)發(fā)射

按照所有這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，成本高且耗時(shí)長(zhǎng)。而且，如果在測(cè)試和認(rèn)證過程中出現(xiàn)任何問題，就會(huì)延長(zhǎng)上市時(shí)間并增大成本。

參考設(shè)計(jì)能夠簡(jiǎn)化 IE 實(shí)施

為了幫助克服與 IE 實(shí)施有關(guān)的諸多難題，Analog Devices 開發(fā)出 Chronous RapID 平臺(tái)第 2 代嵌入式參考設(shè)計(jì)。Chronous 提供了一個(gè)全面的 IE 開發(fā)環(huán)境，包括經(jīng)過驗(yàn)證的、成熟的硬件和軟件，以適應(yīng)常見的 IE 協(xié)議。

該開發(fā)環(huán)境包括兩個(gè)以太網(wǎng) PHY，使其適用于以線型或環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。有三種板卡可供選擇，具體包括 EtherCAT (EV-RPG2-ECZ)、EtherNet/IP (EV-RPG2-ENZ) 和 PROFINET (EV-RPG2-PNZ) 的預(yù)認(rèn)證軟件。EV-RPG2 評(píng)估套件（圖 2）提供了一個(gè)全面的開發(fā)環(huán)境，包括:

· 基板 — 帶有 ADIN2299 RapID 第 2 代具有認(rèn)證協(xié)議軟件的模塊
· 帶有通用插頭適配器的壁插式交流 (AC) 適配器
· USB A公頭到 USB micro B 公頭的電纜
· 以太網(wǎng)電纜

圖 2：EV-RPG2 評(píng)估套件包括快速部署 IE 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所需的一切。（圖片來源：Analog Devices）

利用 EV-RPG2 開發(fā)套件，設(shè)計(jì)者能夠在進(jìn)行集成之前快速驗(yàn)證主處理器與智能工廠設(shè)備（如可編程邏輯控制器 (PLC)）之間的通信路徑。除了預(yù)先經(jīng)過測(cè)試的軟件外，EV-RPG2 還具有低功耗的特點(diǎn)，已經(jīng)按照相關(guān)的 IEC 和 EN 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試，并支持針對(duì)各種使用案例進(jìn)行定制。

ADIN2299 模塊具有適合嵌入式應(yīng)用的小尺寸，以及低功耗和低延遲的特點(diǎn)。該模塊是一種全面的、預(yù)先經(jīng)過測(cè)試的解決方案，能為應(yīng)用處理器管理工業(yè)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)流量，并加速 IE 與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的集成。這種解決方案包括一個(gè)通信控制器、協(xié)議棧、閃存、RAM、從控制器和兩個(gè) PHY 接口，以及 EtherCAT、PROFINET 實(shí)時(shí) (RT) 或同步實(shí)時(shí) (IRT) 和 EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò)所需的特定軟件（圖 3）。

圖 3：ADIN2299 模塊具有適合嵌入式應(yīng)用的小尺寸，并有兩個(gè)以太網(wǎng) PHY（右）。（圖片來源：Analog Devices）

ADIN2299 嵌入式 IE 模塊中的 PHY 使用兩個(gè) ADIN1200 低功耗、單端口 10 Mbps 和 100 Mbps 以太網(wǎng)收發(fā)器。ADIN1200 有一個(gè)節(jié)能型以太網(wǎng) PHY 核心、模擬電路、輸入和輸出時(shí)鐘緩沖、管理接口和子系統(tǒng)寄存器、MAC 接口和控制邏輯。ADIN1200 的其他特點(diǎn)包括：

· 符合 10BASE-Te/100BASE-TX IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)
· 媒體獨(dú)立接口 (MII)、精簡(jiǎn)型 MMI (RMII) 和精簡(jiǎn)型千兆 MMI (RGMII) MAC 接口
        100BASE-TX RGMII 延遲：發(fā)送 <124 ns，接收 <250 ns
        100BASE-TX MII 延遲：發(fā)送 <52 ns，接收 <248 ns
· 符合
        IEC 61000-4-4 電氣快速瞬變 (EFT) (±4 kV)
        IEC 61000-4-5 浪涌 (±4 kV)
        IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)抗擾度
        EN55032 輻射和傳導(dǎo)發(fā)射（A 級(jí)）
· -40°C 至 +105°C 環(huán)境工作范圍
· 1.8 V 時(shí)，100BASE-TX 的功耗為 139 mW
· 5 × 5 mm，32 引線框架芯片比例封裝 (LFCSP)（圖 4）

圖 4：ADIN1200 以太網(wǎng)收發(fā)器堅(jiān)固耐用，其 5 mm2 LFCSP 封裝支持緊湊型解決方案。（圖片來源：Analog Devices）

結(jié)語

PROFINET、EtherNet/IP 和 EtherCAT 等 IE 協(xié)議可以支持工業(yè) 4.0 所需的低延遲自動(dòng)化和控制網(wǎng)絡(luò)接口的需求。為了在確保互操作性的同時(shí)加速 IE 部署并降低成本，Analog Devices 推出了一款具有高效 PHY 的參考設(shè)計(jì)和豐富的預(yù)認(rèn)證軟件套件。