ADI 多协议工业以太网交换机
随着工业4.0进程的推进，市面上急需能够融合多种协议的工业以太网方案，以实现工业现场数据无缝互联的愿景。ADI近几年不断完善推出的Chronous系列产品，不仅加速了客户工业以太网通信类产品的上市，前瞻性的技术特性，也让客户的产品更具技术竞争力和生命周期长久性。本文将重点介绍ADI的多协议工业以太网方案及其模块级产品，阐述该方案及模块级产品在可靠性和技术前瞻性方面的优势。
一、多协议融合的迫切需求
在现代化的工业生产现场，传感器和执行器都依靠大量的有线连接传输数据和指令，通过多个层次的网络设备，最终汇总到云端数据中心进行可视化监测与控制。如下图（图1）所示，数据连接的形式既包括传统的485总线、普通以太网络，也含有近几年推行的百兆工业以太网，还可能包含最先进的千兆TSN工业以太网。针对行业内要求的可靠性高、实时性强的原则，百兆或千兆以太网形式将会是未来的统一化趋势。
由于工业以太网的历史发展因素，目前在行业内已经形成了许多协议共存的局面，由西门子、倍福、施耐德等公司主导推行的协议已经覆盖了现有工业生产线的各式设备，这其中包括PROFINET、EtherCAT、EtherNet/IP、Modbus TCP、POWERLINK等，因此，一些注重工业技术的IC厂商开始不断推出跨多协议的接入方案。ADI公司的方案是业内最受欢迎的解决方案之一，该方案对客户主控平台的依赖度低，正在受到越来越多客户的关注。
二、交换机方案的技术架构
ADI的多协议工业以太网解决方案，是基于MCU+Switch+Phy的整套方案，其中最核心的是型号为FIDO5200的以太网交换芯片，其内置了多种工业协议，如下图（图2）所示。此外，ADI还提供通过标准认证的百兆PHY芯片，型号为ADIN1200。方案的主控芯片由客户决定，不再依赖于以往此类方案的MCU必须内置MAC协议的情况，ADI提供协议的驱动程序，包括业内主流的5种工业以太网协议，如下图（图3）所示。当然，ADI也提供了基于自有品牌MCU的配套方案，并搭配了固件，以加速客户的产品快速开发。
值得注意的是，FIDO5200作为ADI Chronous家族中最重要的产品之一，能够支持时间敏感网络（TSN），该前瞻性的特点，使客户的产品一经设计便充分考虑到了未来化技术架构。对客户来讲，这是对将来产品的预投资，能显著降低未来研发投入。从该方案的工作原理来看，FIDO5200适合几乎任何处理器、任何协议、任何堆栈。
三、FID05200的特点与优势分析
FIDO5200是实时以太网多协议（REM）交换芯片，具备两个独立的以太网端口，采用10mm*10mm的小面积BGA封装，小于180mW的低功耗设计，如下图（图4）所示。
使用FIDO5200的交换芯片方案，可以显著提高现有网络的性能。TSN网络的最基本特性是基于时间保障的数据交互，网络会将所有数据分类为时间敏感数据和普通数据，按照其紧急程度进行可靠传输，这就要求交换芯片的低延迟和高速度。为了满足TSN网络的特点，FIDO5200方案具备如下特点优势：
内存总线通信接口
FIDO5200和MCU之间以内存总线作为接口方式，实现高性能、低抖动、低延迟的工业以太网，ADI将此技术称之为Priority Channel，其包含了软硬件协同的技术。无论是什么样的协议和网络利用率，这项技术都可以保障实时通道数据优先于普通数据得到处理，落实TSN网络中“尽力而为”的原则。
定时器控制器单元
定时器控制单元是用来同步各个以太网协议的。FIDO5200设计了4组通用输入输出通道，可以用于输入捕捉、输出方波型号，这些信号是与同步时间信号是同相的，以达到加盖时间戳的目的，最终将用户的应用于网络时间同步。
低延迟的响应
在一些工业总线应用中，对数据和指令的延迟是非常苛刻的，例如高性能多轴同步移动。它对控制指令时序的要求非常精准，也就是说对指令到达的时间是非常敏感的，加之控制算法与指令的复杂性，以太网传输延迟的情况将直接影响这种应用的表现。ADI的方案能够充分保证工业以太网低数据延迟，如下图（图5）所示，为该方案的各功能元素造成的延迟表现，若代入有效载荷进行计算，该方案造成的总延迟仅为20~30uS左右。
| 延迟元素 | 组件 | 时间 |
| PHY接收 | ADIN1200 | 248ns |
| PHY发送 | ADIN1200 | 52ns |
| 开关前导和目标 | fido5000 | 1120ns（100Mbps时 14字节） |
| 开关MAC、排队和接收器 | fido5000 | 330ns |
图5 各功能元素造成的延迟表现(*以上数据来源为ADI)
四、ADIN2299模块级平台方案介绍
为了给客户提供更直接快速的开发方式，ADI还推出了基于上述方案的模块级平台产品方案。由于最新方案为ADI的第二代新升级，该产品被命名代号为RPG2，并具体化了产品型号为ADIN2299。下图（图6）为该模块产品的实物图，它是一款尺寸为38mm*38mm的BGA模块板，其上集成了多个ADI器件，最大功耗小于800mW。
下图（图7）为ADIN2299模块的原理框图，ADIN2299模块在前文所述方案的基础上，将主控MCU采用为ADI自主的ADSP-CM409产品，并配套了系统电源方案。该产品是一款已经过全面测试的预认证模块。模块搭配了全面的软件支持，提供API库用于快速系统集成。客户在进行使用时，需搭配主控处理器，并通过SPI、UART或以太网接口进行参数配置和数据交互。ADI搭配该模块提供的软件包含了协议栈、底层硬件驱动、文件系统、数据安全固件、WEB服务等。
五、总结
本文介绍了ADI的多协议工业以太网方案，重点介绍了围绕FIDO5200的系统级方案和ADIN2299模块级产品，为客户解决多协议工业以太网的数据打通与融合问题，并能够提供未来化的TSN网络性能。多协议工业以太网方案是ADI Chronous系列产品中重要一环，此外还有更多先进技术方案处于不断完善和发布中，使ADI成为布局工业4.0生态系统的关键技术成员之一。欲了解更多技术细节、开发方法及相关方案，请点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们澳门人巴黎人1797公司愿意为您提供更深入的讲解与介绍。