原标题：如何快速、经济高效地将工业以太网添加到工业4.0设备

　　工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 智能工厂的设计人员需要能够快速部署紧凑、稳健、低延迟和低功耗的自动化和控制网络接口。工业以太网(IE)越来越多地满足性能要求，它使用封装在以太网协议中的PROFINET，EtherNet/IP或EtherCAT等协议，以及修改后的媒体访问控制(MAC)层，以提供工业4.0设备所需的低延迟和实时性能。

　　但是，收集灵活的IE实现所需的所有组件，同时确保IE软件经过认证以确保可靠的操作和互操作性可能具有挑战性。

　　还存在电源效率和环境挑战。例如，IE网络通常使用线或环形网络结构，与星形网络相比，这些结构的布线长度减少了。但是，线路和环形网络要求每个设备有两个以太网端口，因此物理层 (PHY) 功耗成为关键设计考虑因素。

　　工业环境中的高温，加上对紧凑型解决方案的需求，使得设计人员仔细管理IE实现的功耗预算至关重要。

　　考虑一个功耗预算为 2.5 瓦的 IE 端口，其中现场可编程门阵列 (FPGA)、双倍数据速率 (DDR) 存储器和以太网交换机的功耗为 1.8 瓦。剩下 700 毫瓦 (mW) 可用于两个 PHY(图 1)。

　　图 1：以太网线路(中)或环(右)架构中的每个设备都需要两个 PHY(左)。(图片来源：ADI公司)

　　除了满足具有挑战性的功耗预算外，工业设备还需要满足多个电磁兼容性/静电放电 (EMC/ESD) 国际电工委员会 (IEC) 和欧洲标准 (EN) 标准：

　　IEC 61000-4-2 静电放电

　　IEC 61000-4-4 电气快速瞬变 (EFT)

　　IEC 61000-4-5 浪涌

　　IEC 61000-4-6 传导抗扰度

　　EN 55032 辐射和传导发射

　　测试所有这些标准既昂贵又耗时。而且，如果在测试和认证过程中出现任何问题，则会延长上市时间并增加成本。

　　参考设计简化了 IE 实施

　　为了帮助解决与实施 IE 相关的众多挑战， ADI公司 开发了 计时 RapID 平台第 2 代嵌入式参考设计。Chronous为IE提供了一个完整的开发环境，其中包括用于流行IE协议的经过验证和验证的硬件和软件。

　　它包括两个以太网 PHY，使其适用于与线形或环形拓扑联网的设备。提供三种板卡，包括用于 EtherCAT 的预认证软件 (EV-RPG2-ECZ)、以太网/IP (EV-RPG2-ENZ)，和普罗菲特(EV-RPG2-PNZ).EV-RPG2 评估套件(图 2)提供了完整的开发环境，包括：

　　带 ADIN2299 带有认证协议软件的 RapID 第 2 代模块

　　壁挂式交流 (AC) 适配器，带通用插头适配器

　　USB A 公头转 USB 微型 B 公头电缆

　　以太网电缆

　　图 2：EV-RPG2 评估套件包括快速部署 IE 联网设备所需的一切。(图片来源：ADI公司)

　　EV-RPG2 开发套件使设计人员能够在集成之前快速验证主机处理器和智能工厂设备(如可编程逻辑控制器 (PLC))之间的通信路径。除了经过预先测试的软件外，EV-RPG2 还具有低功耗特性，已通过相关 IEC 和 EN 标准的测试，并支持针对各种用例进行定制。

　　ADIN2299模块具有适合嵌入式应用的小尺寸、低功耗和低延迟等特性。它是一个完整的、经过预先测试的解决方案，可管理应用处理器的工业协议和网络流量，并加快IE与现场设备的集成。它包括一个通信控制器、协议栈、闪存、RAM、跟随控制器和两个 PHY 接口，以及 EtherCAT、PROFINET 实时 (RT) 或同步实时 (IRT) 和 EtherNet/IP 网络所需的特定软件(图 3)。

　　图 3：ADIN2299 模块外形小巧，适用于嵌入式应用，具有两个以太网 PHY(右)。(图片来源：ADI公司)

　　ADIN2299嵌入式IE模块中的PHY使用两个 ADIN1200、低功耗、单端口 10 兆比特/秒 (Mbit/s) 和 100 Mbit/s 以太网收发器。ADIN1200具有高能效以太网PHY内核、模拟电路、输入和输出时钟缓冲、管理接口和子系统寄存器、MAC接口和控制逻辑。ADIN1200的其他特性包括：

　　符合 10BASE-Te/100BASE-TX IEEE 802.3 标准

　　独立于媒体的接口 (MII)、精简型 MMI (RMII) 和精简型千兆位 MMI (RGMII) MAC 接口

　　100BASE-TX RGMII 延迟：发送<124 纳秒 (ns)，接收<250 ns

　　100BASE-TX MII 延迟：发送<52 ns，接收<248 ns

　　会见–

　　IEC 61000-4-4 电气快速瞬变 (EFT)(±4 千伏 (kV))

　　IEC 61000-4-5 浪涌 (±4 kV)

　　IEC 61000-4-6 传导抗扰度

　　EN55032 辐射和传导发射(A 类)

　　−40 至 +105 °C 环境工作范围

　　1.8 伏时 100BASE-TX 的功耗为 139 mW

　　5 × 5 毫米 (mm) 32 引脚引线框架芯片级封装 (LFCSP)(图 4)

　　图 4：ADIN1200 以太网收发器稳健耐用，其 5 mm2 LFCSP 封装支持紧凑型解决方案。(图片来源：ADI公司)

　　结论

　　PROFINET、EtherNet/IP 和 EtherCAT 等 IE 协议可以支持工业 4.0 中对低延迟自动化和控制网络接口的需求。为了加快IE部署并降低成本，同时确保互操作性，ADI公司提供了具有高效PHY和一套丰富的预认证软件的参考设计。