的根底是牢靠的通讯根底设施。决策者透过根底设施从机器、现场设备和工厂提取材料。而要保证机器人和人机接口的牢靠性，则先要深化了解底层技能选项。出产厂房和手术室尽管天壤之别，但所运用的设备都有必要牢靠、精准地运转，这关于所履行的使命十分重要。跟着设备需求更智能的体系、更多数据和更高的保真度，其对带宽的需求也不断添加。与此一起，速度更快的通讯接口有必要在反抗环境损害和电磁兼容性（EMC）的一起，供给平等的牢靠性和安全性。EMC是指体系能够在其操作环境中发挥预期效果，不发生电噪声，也不被电噪声过度影响。视觉引导机器人能够在高价值制作环境中供给更高的弹性和更高的出产牢靠性。假如没有视觉引导，机器人只能重复履行相同的使命，直到被从头编程。有了机器视觉，机器人能够履行愈加智能的使命，例如，在出产线中，可扫描运送带上的缺点产品，并由经过调理的机器人捡取缺点产品，如图1所示。在风险性EMC环境（例如工厂自动化）中，视觉/机器人接口的牢靠性和有用性由所选的有线传输技能决议。有多种办法能够完成机器视觉开麦拉接口，包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link，或千兆位以太网络。
表一对比了USB、以太网络和Camera Link规范的几大要害目标。工业以太网络具有多种优势，选用2对100BASE-TX和4对1000BASE-T1规范的线L规范的单条双绞线 km，且EMC功用较高。运用USB 2.0或USB 3.0的线公尺，除非运用专门的自动USB电缆，且需求运用维护二极管和滤波器来进步EMC功用。可是，跟着工业操控器遍及选用USB埠，且带宽最高到达5 Gbps，这为规划人员供给了一些优势。
Camera Link要求工业操控器装备专用的讯框撷取硬件。USB或以太网络无需工业操控器装备额定的讯框撷取卡。Camera Link这个规范最早呈现于2000年末，是机器视觉体系最常用的接口。现在，依据USB和以太网络的机器视觉开麦拉的运用愈加广泛，可是，需求对多个开麦拉施行预先处理的运用仍在运用Camera Link和ㄒ讯框撷取器，以下降主CPU负载。相较于千兆位以太网络，即便在根本速度下，Camera Link规范输出的数据量也多达其两倍，且输出间隔更短。Camera Link物理层依据低压差模信号（LVDS），由于与每条线路耦合的共模噪声都会在接纳器端有用消除，因而自身具有EMC安定性。LVDS物理层的EMC安定性可透过电磁阻隔进行改进。透过在开麦拉和机器人链接上运用以太网络，以及选用IEEE 802.1时刻灵敏网络（TSN）交流机的工业操控器，能够大幅完成工业开麦拉和机器人操作同步。TSN界说了交流式以太网络中用于时刻操控数据路由的第一个IEEE规范。供给全套以太网络技能，包括物理层收发器和TSN交流机，以及体系级解决计划、软件和安全功用。人机接口（HMI）常用于透过人类可读视觉表明办法显现来自可编程逻辑操控器（PLC）的数据。规范HMI可用于追寻出产时刻，一起监控要害绩效目标（KPI）和机器输出。操作员可运用HMI履行多项使命，包括敞开或封闭交流机，以及添加或下降进程中的压力或速度。HMI一般装备整合式显现屏；可是，装备外接显现屏选项的HMI具有多种优势。选用外部高清多媒体接口（HDMI）端口的HMI设备更细巧，更简略设备到选用规范DIN电源轨的操控台中，也可用于监控PLC。运用HDMI时，电缆长度可达15公尺，便于路由到触控显现屏幕和操控室，如图2所示。在工业环境中，在更长的电缆上扩展HDMI具有应战性，由于EMC损害会影响布线。在马达和泵衔接至DIN轨迹式PLC时，HMI上也或许呈现直接瞬变过压。
要保证体系安定性，就需求细心挑选接口技能。跟着工业以太网络迅速发展，现场总线技能（例如CAN或RS-485）越来越遍及。据工业音讯，全球设备的RS-485 （PROFIBUS）节点已超越6100万个，PROFIBUS进程自动化（PA）设备同比生长7%。PROFINET（工业以太网络施行）设备基数为2600万个节点，仅2018年设备的组件数量就到达510万。[1]如之前所述，运用依据以太网络的技能能够完成高EMC功用，这是由于电磁被写入IEEE 802.3以太网络规范，且有必要在每个节点运用。RS-485组件能够包括电磁阻隔，以进步抗噪声才能；维护二极管能够整合在芯片内，或许置于通讯PCB上，以进步对静电放电和瞬变过压的反抗力。HMI一般需求抗静电放电，且运用ESD维护二极管来进步信号安定性。关于工业HMI，整合增强阻隔可维护操作人员革除电气风险。尽管现在供给了因应以太网络和RS-485的合理的阻隔解决计划，但现在，印象传输首要运用本钱昂扬的光纤来阻隔，这些光纤支撑千兆位传输速度。关于电磁阻隔技能的最新进展（例如 ADN4654/ADN4655/ADN4656 系列，其数据速率能够超越1 Gbps）为规划人员供给了具有竞争力，且本钱更低的代替解决计划。外科成像，包括内视镜在内，是一种共同的运用，有必要在供给高保真图画的一起保证患者的安全。上一代内视镜设备被称为印象内视镜，其运用一系列玻璃镜片和一个光导管将图画从成像头传输到电荷耦合组件（CCD）传感器。以可见光为前言，将来自患者的图画传输至内视镜，这种办法能够阻隔有害电流，可是，在制作本钱和图画质量方面的体现并不抱负。[2]近期的外科成像设备透过转向数字化来战胜这些应战，且从CCD转向CMOS传感器，后者的尺度易于扩展，且可嵌入开麦拉头部。运用CMOS开麦拉之后，无需串行衔接多个镜头，且能够改进全体的图画质量。出产本钱下降，使得一次性外科内视镜的运用成为或许，如此则无需忧虑消毒问题。开麦拉进一步缩小，使得微创手术成为或许。[3]在转向数字内视镜之后，CMOS图画传感器（触摸患者）和开麦拉操控器（CCU）之间有必要供给高速电子接口。LVDS和可扩展低压信号（SLVS）层逐步成为完成这种互连的常用的物理层，供给高带宽和相对较低的功率。[4] 这种接口与印象内视镜中的接口不同，现在其为电子式，或许能够传输风险电流。由于不具有光学介质的阻隔性，所以该体系在规划时，有必要保证阻隔患者和潜在的有害电流。
关于任何衔接主电源的医疗体系而言，患者的安满是登峰造极的。IEC 60601医疗电机设备规范对维护患者（MOPP）免受有害电压损伤的组件提出了严厉要求。要运用高带宽解决计划传输图画数据，一起满意这些严厉的安全要求，这为体系规划人员带来了严重应战。从CMOS图画传感器到内视镜CCU之间的电子印象传输便是这样一个示例，两者之间需求树立契合安全要求的高速衔接。其他医疗设备，例如呼吸机和心电图（ECG），都是直接与患者相连，用于呼吸辅佐和监测。关于患者的信息会显现在医疗设备内建的图形显现器中，便于操作人员检查。依据IEC 60101规范，该医疗设备中的显现器是已知的、可信的且已经过认证，可作为医疗设备运用。关于任何现成的外部电视和显现器，则无法保证这一点。为了保证患者的安全，应在医疗设备与外围设备之间的外部衔接中添加阻隔，以维护患者。关于传统的低速接口（例如RS-232、RS-485和CAN）来说，这种阻隔或许并不重要，能够运用规范数字阻隔器来完成。另一方面，视频端口与外部显现器的阻隔会形成共同的应战。显现器的规范化接口的带宽要求远远超越运用适宜数量的光耦合器或规范数字阻隔器能够完成的带宽。测验阻隔印象界面的整个信号链会使杂乱度进一步添加。例如，HDMI 1.3a协议不止包括用于传输印象数据的转化最小化差模信号（TMDS），还包括用于交流印象/格局信息、电源电路，以及检测显现（接纳器）设备之间的衔接和断开的双向操控信号。[5]在添加体系规划人员视为妨碍的电机阻隔时，有必要考虑一切这些要素。在许多情况下，或许无法运用之前的办法为这些显现器埠添加安全阻隔闸，所以医疗体系中不包括外部显现器埠。ADI供给对常用的印象协议（例如HDMI 1.3a）施行电气阻隔的参阅规划 ，如此，在需求对患者施行维护时，能够直接添加额定的安全维护。当印象和开麦拉运用需求高带宽和牢靠的安全性时，体系规划人员能够运用ADN4654系列LVDS数字阻隔器这种新挑选。这些组件供给双信道阻隔，每个信道的数据速率高达1.1 Gbps，这代表数字阻隔在速度方面的一。它们选用20接脚SSOP封装，供给2.2 Gbps总吞吐量，相较于依据传统的数字阻隔器的解决计划，其体积大幅减小。
以印象链接为例，能够在60 Hz下传输24位的色彩，分辨率为1920 ×1080 （1080 p）。要跨过阻隔闸传输所需的信息，需求总带宽到达4.4 Gbps。典型的光纤解决计划具有满足的带宽，可是从铜介质转化为光纤，需求用到串行化器、反串行化器和电光转化器。运用规范数字阻隔器的解决计划还需求用到串行化器、反串行化器，以及30个以上的信道阻隔，每个信道以150 Mbps运转。为简略的高带宽接口添加阻隔时，对体系规划人员来说，这两种计划都会发生本钱。运用ADN4654的Gigabit数据速率，能够下降体系的杂乱性，并且，仅运用两个设备即可完成4.4 Gbps带宽。每项设备都有两个信道，一共四个，每个通道都以1.1 Gbps运转。具有高信道带宽之后，则不再需求信号链中的任何SERDES模块。在需求对不止一个接口施行阻隔的体系中，空间和杂乱性的改进得以统筹。以高于1 Gbps的速率运转的物理层接口具有严厉的颤动和偏斜要求，以保证牢靠通讯。添加至信号链的任何组件（例如数字阻隔器）的颤动和偏斜有必要最小，避免影响体系功用。过多的颤动和偏斜或许会影响接纳器的采样余裕，添加整体误码率。ADN4654在给定通道上能到达业界抢先的偏斜功用，最大100 ps，组件与组件之间则为600 ps，因而十分合适阻隔这些高带宽接口。ADN4654带来最少的颤动，最大的随机颤动功用为4.8 ps rms，最大的峰对峰值确认颤动为116 ps，选用PRBS-23（伪随机二进制序列）形式。形式运转长度少于23位，这很常见，而在编码计划的运转长度更短的协议（例如8B/10B编码）中，颤动功用得到改进，改进后超越了这些值。ADN4654/ADN4655/ADN4656组件运用内部LDO调理器来供给弹性的电源计划，可用于多种信道装备。ADN4654选用20接脚宽体SOIC封装，或许节约空间的20接脚SSOP封装。SOIC封装供给5 kV rms阻隔和7.8 mm爬电间隔和空隙，使得这些组件合适1 MOPP（来自250 V rms电源）至IEC 60601规范。透过运用封装将组件的爬电间隔和空隙添加到大于8 mm，其能够作为2 MOPP阻隔体系的组件运用。
在为印象接口添加安全阻隔时，印象协议自身的杂乱性会成为一大应战。有必要主张阻隔各个印象、操控和电源信号，而关于设备制作商来说，这是一个十分扎手的问题。即插即用型规划解决计划协助缩短了完成功用规划所需的体系开发时刻。自2002年年末推出以来，HDMI已成为商用高分辨率电视和显现器的实践规范之一。HDMI之所以能大获成功，因归功于其功用组和牢靠的互操作性。EVAL-CN0422-EBZ 参阅规划 可作为一种即插即用型解决计划，合适想要为现有的HDMI 1.3a视频端口添加电气阻隔功用的用户。结合 iCoupler 技能，以跨过阻隔闸传输所需的功率和高速印象，以及操控信号。
HDMI 1.3a协议中的印象数据在四条TMSD线路中传输：三条材料线路，一条频率线路。每条线路都有必要独自阻隔。传统的数字阻隔器不支撑TMDS的高带宽或差分特性，因而不太适用。尽管TMDS与LVDS稍有不同，但可透过简略的被逼组件兼容契合LVDS要求的设备。这些被逼组件结合两个双信道Gigabit ADN4654阻隔LVDS收发器，以阻隔悉数四条TMDS线 MHz的像素频率频率，在帧率为60 Hz时，支撑720 p分辨率。HDMI协议包括其他用于进行操控的低速信号：显现数据信道（DDC）、消费电子操控（CEC）和热刺进检测（HPD）。DDC用于答应源极读取来自EEPROM的显现器EEID数据，并交流相关的格局化信息。CEC信号答应在多个衔接的源设备和接纳设备之间同享功用。检测到HPD具有附加源（表明有与之相连的组件）时，HPD由接纳设备置位。这些操控信号都运用两个 ADuM1250 组件阻隔，在必要时，能够对这些信号施行双向阻隔。运用ADuM1250能够大幅简化与施行双向阻隔通道相关的规划应战。参阅规划包括一个阻隔式DC-DC电源转化器 ADuM5020，用于为阻隔组件的显现（接纳）侧供电。依据规范要求，275 mW会传输至HDMI电缆，以支撑接纳设备。参阅规划用于阻隔HDMI源设备，但能够轻松选用阻隔电源电路来阻隔HDMI接纳设备。关于机器视觉运用，ADI的多协议以太网络交流器、以太网络物理层收发器，以及一切渠道解决计划产品组合都保证完成无缝衔接和运转功率。ADI的 fido5100/fido5200 REM交流器系列包括两个2端口工业以太网络嵌入式交流器，这两个交流器可衔接就任何处理器，包括任何ArmR CPU和ADI的 fido1100 通讯操控器。透过运用这些工业以太网络嵌入式交流器，能够挑选合适您运用的处理器类型，无需被逼运用特定供货商的协议仓库。REM衔接到处理器的内存总线，看起来与该总线上的任何其他周边设备都相同。REM的贮存周期降至32 ns（32位总线 Mbps）以支撑EtherCAT的12.5 μs周期，以及PROFINET IRT的31.25 μs周期。数据运用优先信道行列在交流器之间来回传输，因而实时数据传输能够无推迟地中止非实时数据传输。这些行列由交流机驱动程序办理并与协议仓库接口，以完成尽或许高效的数据传输。这也表明运用软件不用操心办理交流机，设定低位准缓存器或追寻杂乱的时刻办理进程。工业以太网络嵌入式交流机的另一个功用优势，是其优先通道技能使其不会遭到网络加载的影响。该优势可保证您的运用程序在任何时候都能够发动并运转。REM交流机对数据封包进行智能过滤，以避免来自处理器的搅扰流量，依据处理器负载办理低优先级流量，并保证及时发送高优先级数据封包，无需考虑总数据封包负载。ADI的 ADIN1100、ADIN1200和ADIN1300 工业以太网络物理层组件（PHY）意图在完成苛刻工业环境下的安定性。这些产品现已完成了广泛的EMC和牢靠性测验，适用于需求可猜测和安全通讯的运用。运用业界抢先的低推迟和低功耗PHY技能，该产品组合支撑10 Mbps、100 Mbps和1 Gbps的数据速率。其专为大幅进步数据传输和信号完整性而开发，选用小型封装，一起支撑多个MAC接口。工业以太网络物理层套件合适在扩展的工业环境温度范围内运转，可为现在及未来的工业以太网络运用供给高水平牢靠性。ADIN1100 10BASE-T1L PHY透过长达1 km的单根双绞线 Mbps以太网络衔接，且支撑风险区域运用事例（实质安全区域0运用），这些事例有时称为Ethernet-APL。ADIN1100为经过实质安全认证的组件供给以太网络衔接，例如在风险区域中运转的HMI、工业印象开麦拉和热感应开麦拉。本文描绘了工业和医疗运用中安全牢靠的高带宽印象或开麦拉接口的运用要求，并评论了在选用这些接口的一起坚持要害功用可运用的重要技能选项。ADI供给立异解决计划，包括：●业界首款Gigabit数字阻隔器系列ADN4654/ADN4655/ADN4656，供给阻隔高带宽接口的新选项。●经测验契合规定的体系解决计划，减少了测验和合规性难题。典范之一便是依据HDMI规范测验的 参阅规划。●整套工业以太网络产品，包括技能、解决计划、软件和安全功用，这些产品意图在将实际国际衔接到工厂网络，再衔接到云端。ADI运用其深沉的范畴专业知识和先进技能，协助合作伙伴衔接未来工业套件和网络。业界首款Gigabit电气阻隔技能供给代替计划，用于在各种医疗和工业运用中阻隔印象和开麦拉接口。ADI的以太网络解决计划运用TSN以太网络交流机和低推迟、低功耗、长线缆的物理层收发器，保证在苛刻的工业运用中牢靠传输要害数据。（本文作者为ADI体系运用工程师Richard Anslow 及产品运用工程师Neil Quinn）[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.
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