如何以快速且符合成本效益的方式，將工業乙太網路添加到工業 4.0 設備中

工業 4.0 和工業物聯網 (IIoT) 智慧工廠的設計人員需要能夠快速部署緊湊、穩健、低延遲、低功率的自動化和控制網路介面。工業乙太網路 (IE) 越來越能滿足此效能需求；使用封裝在乙太網路協定中的 PROFINET、EtherNet/IP 或 EtherCAT 等協定，以及修改的媒體存取控制 (MAC) 層，提供工業 4.0 設備所需的低延遲和即時效能。

然而，若要為靈活的工業乙太網路實作結合所有必要組件，同時還要確保工業乙太網路軟體經過認證，能達到可靠的操作和互操作性，會是一項挑戰。

此外，還有電源效率和環境的挑戰。例如，工業乙太網路一般採用線形或環形網路結構，與星形網路相比，佈線長度較短。然而，線形和環形網路的每個裝置都需要兩個乙太網路連接埠，讓實體層 (PHY) 功耗成為設計的關鍵考量因素。

工業環境的高溫，加上對緊湊型解決方案的需求，造成設計人員必須謹慎管理工業乙太網路實作的功耗預算。

舉例而言，一個 2.5 W 功耗預算的工業乙太網路連接埠，其現場可編程閘陣列 (FPGA)、雙倍資料速率 (DDR) 記憶體和乙太網路交換器消耗 1.8 W。剩下 700 mW 可用於兩個 PHY (圖 1)。

圖 1：乙太網路線 (中) 或環 (右) 架構中的每個裝置都需要兩個 PHY (左)。(圖片來源：Analog Devices)

除了滿足功耗預算的高挑戰性之外，工業設備還需要符合多項國際電工委員會 (IEC) 和歐洲規範 (EN) 的電磁相容／靜電放電 (EMC/ESD) 標準：

• IEC 61000-4-2 靜電放電
• IEC 61000-4-4 電快速瞬變 (EFT)
• IEC 61000-4-5 突波
• IEC 61000-4-6 傳導耐受性
• EN 55032 輻射和傳導放射

這些標準的測試既昂貴又耗時。而且，若在測試和認證時出現任何問題，會延後上市時間並增加成本。

公版設計可簡化工業乙太網路實作

Analog Devices 開發 Chronous RapID Platform Generation 2 嵌入式公版設計，解決工業乙太網路實作的眾多挑戰。Chronous 為工業乙太網路提供完整的開發環境，包括經過驗證和實證、適用於常用工業乙太網路協定的軟硬體。

內含兩個乙太網路 PHY，因此適用於採用線形或環形拓撲連網的裝置。提供三種板件，包括 EtherCAT (EV-RPG2-ECZ)、EtherNet/IP (EV-RPG2-ENZ)、PROFINET (EV -RPG2-PNZ)。EV-RPG2 評估套件 (圖 2) 提供完整的開發環境，包括：

• 含 ADIN2299 RapID Generation 2 模組和認證協定軟體的基板
• 含通用插頭配接器的壁掛式 AC 配接器
• USB A 公對 USB micro B 公纜線
• 乙太網路纜線

圖 2：EV-RPG2 評估套件包括快速部署工業乙太網路連網裝置所需的一切。(圖片來源：Analog Devices)

EV-RPG2 開發套件能讓設計人員在整合之前，快速驗證主機處理器與智慧工廠裝置 (例如可編程邏輯控制器 (PLC)) 之間的通訊路徑。EV-RPG2 搭配預測試軟體，具有低功耗特性，且經過測試通過相關 IEC 和 EN 標準，並支援針對各種使用情境進行客製化。

ADIN2299 模組適合嵌入式應用，具有小尺寸、低功耗和低延遲等特點。這是一個完整、預測試的解決方案，可以管理應用處理器的工業協定和網路流量，並加速工業乙太網路與現場裝置的整合。包括一個通訊控制器、協定堆疊、快閃記憶體、RAM、跟隨控制器和兩個 PHY 介面，以及 EtherCAT、PROFINET 即時 (RT) 或同步即時 (IRT) 和 EtherNet/IP 連網所需的特定軟體 (圖 3)。

圖 3：ADIN2299 模組外形小巧，適合嵌入式應用，並具有兩個乙太網路 PHY (右)。(圖片來源：Analog Devices)

ADIN2299 嵌入式工業乙太網路模組的 PHY 使用兩個 ADIN1200，是低功耗、單連接埠 10 Mbit/s 和 100 Mbit/s 乙太網路收發器。ADIN1200 具有高能效乙太網路 PHY 核心、類比電路、輸入和輸出時脈緩衝、管理介面和子系統暫存器、MAC 介面和控制邏輯。ADIN1200 的其他特點包括：

• 符合 10BASE-Te/100BASE-TX IEEE 802.3 標準
• 媒體獨立介面 (MII)、精簡 MMI (RMII) 和精簡千兆 MMI (RGMII) MAC 介面
  • 100BASE-TX RGMII 延遲：傳輸低於 124 ns、接收低於 250 ns
  • 100BASE-TX MII 延遲：發送低於 52 ns、接收低於 248 ns
• 可滿足：
  • IEC 61000-4-4 電快速瞬變 (EFT) (±4 kV)
  • IEC 61000-4-5 突波 (±4 kV)
  • IEC 61000-4-6 傳導耐受性
  • EN55032 輻射和傳導放射 (Class A)
• -40 至 +105°C 環境工作範圍
• 1.8 V 時 100BASE-TX 的功耗為 139 mW
• 5 × 5 mm、32 引腳引線框架晶片級封裝 (LFCSP) (圖 4)

圖 4：ADIN1200 乙太網路收發器堅固耐用，其 5 mm2 LFCSP 封裝支援緊湊型解決方案。(圖片來源：Analog Devices)

結論

PROFINET、EtherNet/IP 和 EtherCAT 等工業乙太網路協定支援工業 4.0 對低延遲自動化和控制網路介面的需求。Analog Devices 提供高效率 PHY 和豐富的預認證軟體套件公版設計，可加速工業乙太網路部署並降低成本，同時確保互操作性。

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