智能世代的工业/嵌入式网络与I/O桥接芯片解决方案

智能家居、智能办公室、智能工厂、智能城市、智能交通、…，身处于一个随时随地皆可上网的智能世代，亚信电子为个人计算机、工业计算机与智能嵌入式连网设备，提供容易设计、高性价比的工业/嵌入式网络与I/O桥接芯片解决方案。 

 

进入智能世代 - 嵌入式系统与工业计算机

 

由于智能手机、平板电脑与4G/5G行动网络的普及，每个人随时随地皆可上网。在智能家居与智能办公室中，随处可以看到需要连网的设备，包含智能电视、智能音箱、智能家电、智能电表、电视机上盒、监视器，与办公室的多功能印表机、投影机等。这些智能连网设备，大部分皆采用嵌入式系统架构设计，有效地降低产品耗电量、体积大小与硬件设计成本等。

 

全球制造业为了因应COVID-19新冠肺炎疫情造成的冲击，也为了提高工厂生产效率与产品制造品质，纷纷导入智能工厂生产自动化系统，为工业智能自动化生产设备厂商带来强大的市场需求。传统的工厂生产设备，主要是使用RS-232、RS-422与RS-485串口的传输接口。因此，智能工厂中不可或缺的工业计算机，都会支持多个串口，以连接传统的工厂生产设备。另外，为了因应智能生产自动化设备对资料传输确定性与实时性通信的严格要求，最新的工业计算机与工厂自动化生产设备，一般也都必须支持可实时性、确定性网络通信的工业以太网技术，如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP等。

 

计算机汇流排技术的大跃进

 

随着计算机科技的进步，计算机周边接口汇流排技术也日新月异，从1981年IBM PC发布8位ISA汇流排技术，最大传输速度为8 MB/s；1992年进化到32位PCI汇流排技术，最大传输速度为132 MB/s；2003年计算机汇流排技术，演进到通信接口更简单、传输速度更快的PCI Express 1.0串列汇流排技术（简称PCI-E或PCIe），可支持X1/X4/X8/X16传输通道，X16通道双工最大传输速度可达8 GB/s；2019年推出最新的PCI Express 5.0汇流排技术标准，X16通道双工最大传输速度更可达63 GB/s。一般PCI 32位汇流排技术，最大传输速度为132 MB/s，通信接口需要124引脚；最新的PCIe 5.0串列汇流排技术，X1通道双工最大传输速度为3938 MB/s，通信接口只需要36引脚；X16通道通信接口也只需要164引脚。在计算机科技追求轻薄短小、高传输频宽的大趋势下，PCIe计算机周边产品逐渐取代PCI周边产品已经是必然发生的事实。计算机汇流排技术的大跃进，俨然成为各种计算机周边设备技术进步的坚强基石。

 

笔记型计算机讲求可携带性、轻薄短小与省电，因此笔记型计算机演进出不同的扩展设备技术标准。从1991年由PCMCIA协会发布的16位PCMCIA扩展槽技术标准，演变到32位的Cardbus与Express Card扩展槽技术，可满足笔记型计算机扩展周边设备的基本需求。然而，2000年USB 2.0标准发布后，由于USB通信接口（只需要4引脚）很简单，而且最大传输速度可达480 Mbps，因此在市场上USB周边产品已逐渐取代PCMCIA/Cardbus/Express Card相关周边产品。 2019年最新推出的USB 4.0标准，使用USB Type-C通信接口只需要24引脚，最大传输速度更可达40 Gbps。 USB通用串列汇流排技术，支持热插拔（Hot-Swap）、随插即用（Plug & Play）与可大电流快速充电的便捷功能，因此已经广泛使用于各种计算机周边设备、智能手机、平板电脑、手持式装置、智能连网设备等，成为现代智能世代科技中最重要的通信接口之一。

 

（图一）计算机总线技术进化史

 

工业/嵌入式网络与I/O桥接芯片

 

无论桌上型计算机、笔记型计算机、工业计算机，还是生活周遭无所不在的智能连网设备，都需要支持有线或无线的网络连线功能。有线以太网相对于无线网络来说，可以提供更稳定更快速地网络传输能力。因此，大部分桌上型计算机、工业计算机与不需移动位置的智能连网设备，大部分连网接口仍然以有线以太网为主。

 

亚信电子为一专业的工业/嵌入式网络与I/O桥接芯片设计制造厂商。亚信于1998年推出PCMCIA百兆以太网芯片，随着市场需求与计算机汇流排技术的演变，陆续推出Non-PCI/SPI嵌入式以太网芯片、超高速USB以太网芯片、工业以太网EtherCAT从站控制芯片、TSN PCIe千兆以太网卡等工业/嵌入式网络芯片解决方案；同时提供PCIe/USB转串并口I/O桥接芯片与RS-232/RS-485 UART接收器等I/O桥接芯片解决方案。这些解决方案，可适用于各种计算机周边设备、智能家居、智能办公室、智能连网设备、智能工厂自动化设备与工业物联网（IIoT）等工业/嵌入式网络与I/O桥接器相关产品应用。

 

（图二）亚信电子工业/嵌入式网络与I/O桥接芯片解决方案

 

PCIe/USB串并口I/O桥接芯片

 

最新的计算机中央处理器（CPU），随着计算机周边汇流排技术的进步，已经不再支持传统的串口（COM）与并口（LPT）通信接口。如果需要将传统型串口或并口设备，连接到桌上型计算机或笔记型计算机，就可以透过PCIe/USB转串并口桥接芯片，来支持传统的串口与并口。智能工厂中的工业计算机设备，透过PCIe/USB转串口桥接芯片，即可轻松地支持多个串口功能。

 

亚信电子提供两个PCIe/USB转串并口I/O桥接芯片解决方案: AX99100 PCIe串并口I/O桥接控制器和AX78140/AX78120 USB串并口桥接控制器。这些方案可适用于各种工业计算机与I/O接口连接器等产品相关应用。 AX99100 PCIe串并口I/O桥接控制器，除了可以支持PCIe转串并口（4串/2串1并）的典型应用外，另外可支持PCIe转SPI、GPIO、Local Bus（ISA）I/O接口桥接功能，可适用于PCIe资料搜集与通信卡、PCIe影像撷取卡、PCIe转CAN通信接口等相关产品应用。 AX78140/AX78120 USB串并口桥接控制器，可以支持USB转串并口（4串/2串1并/2串/1串）等产品应用。亚信同时提供RS-232/RS-485 UART收发器，可以搭配PCIe/USB转串口桥接控制器一起做产品设计开发。

 

Non-PCI/SPI 嵌入式以太网芯片

 

部分嵌入式系统微控制器（MCU），没有内置以太网接口功能，碍于嵌入式产品机构设计限制，也无法直接插入PCIe/PCI以太网卡。因此，这些嵌入式系统会使用SRAM-like或SPI接口，连接Non-PCI/SPI嵌入式以太网芯片来支持以太网连线功能。

 

亚信电子除了提供全球首款高效能嵌入式AX88180 Non-PCI 32位千兆以太网控制芯片，也提供AX88796C低功耗 SPI或 Non-PCI以太网控制芯片解决方案。这个方案可适用于各种智能家居、智能办公室与智能连网设备等相关嵌入式网络产品应用，如智能电视、电视机上盒、监视器、多功能印表机、投影机等。

 

超高速USB以太网芯片

 

最新的笔记型计算机都讲求轻薄短小，因此无法内置以太网接口，所以连网方式都以无线网络为主。然而，在有些网络环境下，可能无法提供稳定的无线网络，或无线网络传输速度太慢。在这种情况下，使用者可以透过连接USB以太网卡或USB多功能扩展底座（Docking Station），来提供稳定且高传输速度的有线连网功能。

 

亚信提供的AX88179全球首款USB 3.0千兆以太网控制单芯片，将USB 3.0实体层、千兆以太网实体层（PHY）与媒体存取控制器（MAC）整合在单一芯片中。这个方案可适用于各种有支持USB接口的计算机/嵌入式作业系统（Windows 10/MacOS/Linux/Android/Chrome/etc.），如桌上型计算机、笔记型计算机、USB以太网卡、USB多功能扩展底座、智能手机、平板电脑、游戏机与各种智能连网设备等。

 

（图三）亚信USB以太网芯片解决方案 for 任天堂Switch

 

工业以太网芯片

 

传统标准以太网采用TCP/IP协议，使用载波侦测多重存取/碰撞侦测（CSMA/CD）通信协定进行资料传输，具有不确定性与实时性能不佳的问题，因此不适用于对资料传输确定性与实时性要求严格的智能工厂生产自动化设备应用需求。为了克服标准以太网无法支持实时性、确定性工业通信的问题，全球主要工业网络设备制造商，各自提出不同的工业以太网通信技术解决方案，如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Modbus TCP、POWERLINK、SERCOS、CC-Link IE等。这些不同的工业以太网通信技术标准，解决了传统标准以太网资料传输不确定性与实时性能不佳的问题，尤其是EtherCAT技术透过独特的硬件实时资料传输技术，可以轻松地达到智能工厂生产自动化设备对工业通信实时性、确定性的严格要求。

 

亚信电子因应工业4.0智能制造的强大需求，积极致力于工业以太网芯片的研究开发，从2018年陆续推出大中华区首款AX58100 EtherCAT从站控制器芯片、首款AX58200 EtherCAT从站专用通信SoC与最新的AXM57104 TSN PCIe千兆以太网卡等工业以太网解决方案。这些方案可适用于各种智能工厂生产自动化设备与工业物联网（IIoT）等相关产品应用。

 

以太网控制自动化技术 （EtherCAT）

 

以太网控制自动化技术（EtherCAT）是一个开放性架构的工业以太网通信技术标准，最早于2003年由德国的Beckhoff Automation公司所提出，同年成立EtherCAT工作小组（ETG），并迅速发展成为全球最大的工业以太网与现场总线（Fieldbus）组织。EtherCAT使用独特的「飞速传输（Processing on the fly）」数据交换机制，具有资料传输时间延迟低、同步时钟抖动低、硬件架构成本低与灵活的网络拓朴（线形、树形、星形及菊花链形）等优点。全球各主要工业计算机供应商，因应智能工厂生产自动化的强大需求，纷纷推出各种EtherCAT相关产品解决方案，更奠定了EtherCAT工业以太网通信技术在全球现场总线自动化市场的领先地位。

 

AX58x00系列EtherCAT从站芯片提供客户一个容易设计、经济有效的工业以太网EtherCAT从站解决方案。AX58100是一款2/3端口EtherCAT从站控制器，整合两个百兆以太网PHY，并支持一些额外的控制接口，例如32个数位控制I/O、脉冲宽度调变（PWM）、增量（ABZ）/霍尔编码器、SPI Master等，让客户可以不需要额外微控制器，就能轻松地将AX58100设计在各种EtherCAT现场总线产品应用中。AX58100同时支持Local Bus与SPI Slave过程数据接口（PDI），连接到传统现场总线产品的微控制器，就可以轻松地支持EtherCAT从站功能。AX58200是一款2/3端口EtherCAT从站专用通信SoC，以ARM® Cortex®-M4F微控制器为核心，内置的EtherCAT从站控制器，整合两个百兆以太网PHY，并支持含RMII接口与硬件加密引擎的10/100 Mbps百兆以太网MAC、高速USB OTG与SPI/UART/I2C/I2S/CAN/PWM等各种通信接口。这些方案可适用于各种实时工业自动化控制产品相关应用，如马达/运动控制、数位I/O控制、传感器数据采集、机器人转轴控制、EtherCAT转IO-Link主站网关与EtherCAT Junction从站模块等。

 

因应全球制造业对人机协作（Human-Robot Collaboration，HRC）智能生产自动化的市场需求，亚信电子推出AxRobot EtherCAT七轴助力控制机器手臂解决方案，以加速客户导入EtherCAT工业通信技术于协作型机器人相关产品应用。这个解决方案，使用亚信AX58200 EtherCAT从站马达驱动关节模块化设计，有效地减少每个机器手臂关节中马达驱动板所需占用的空间大小，并可降低机器手臂关节硬件设计成本。另外，利用EtherCAT菊花链（Daisy-Chain）拓扑连接技术，进行机器手臂关节间的网络通信，可以简单地使用网络线从第一轴关节一直串连到第七轴关节，大大地简化机器手臂关节中内部线路配置的复杂度，从而降低机器手臂设备维护的成本与难度。

 

（图四）亚信AxRobot EtherCAT七轴助力控制机器手臂解决方案

 

时间敏感网络（TSN）

 

一个理想的工业4.0智能工厂管理系统，应该要可以收集所有产品工程设计、生产制造、原物料供应链、产品库存、运输与销售渠道等智能制造相关即时信息，利用这些产品生产制造与销售库存即时资讯，工厂可以对所有公司营运资源进行有效管理，进而创造一个具备高弹性、高效率的智能工厂自动化生产环境。为了收集这些即时的智能制造相关信息，制造商需要将非实时性的资讯技术（IT）与实时性的营运技术（OT）融合于同一网络，将所有即时信息传送到云端伺服器以便全盘统一管理。最新一代的工业以太网技术 －「时效性网络（Time Sensitive Networking，TSN）」通信协定，是符合IEEE 802.1规范，标准以太网的延伸技术，利用一系列最新的TSN工业通信协定标准，可以在现有标准以太网环境的基础上，提供实时性、确定性与安全性的工业通信传输，进而轻松地将IT与OT融合于同一网络中。

 

AXM57104是一款高性价比的4端口TSN PCI Express千兆以太网卡，符合PCI Express 2.1 Gen 1标准，支持符合IEEE标准的各种时间敏感网络（TSN）进阶功能，包含IEEE 802.1AS-Rev时效性应用之时序与同步，IEEE 802.1Qav时间敏感资料流转发以及伫列（FQTSS）：特定Credit-Based Shaper（CBS），IEEE 802.1Qbv时间感知整形器（TAS）与IEEE 802.1Qci逐一串流过滤与管理（PSFP）等。 AXM57104支持在线应用可程式（IAP）功能可轻松实现在线更新固件韧体，并支持32个同步I/O与1个每秒脉冲（PPS）信号输出。透过在Linux工业计算机平台安装AXM57104 TSN PCIe千兆以太网卡，可以轻松地支持最新一代的工业以太网技术 － 时效性网络（TSN）进阶功能，将IT与OT融合于同一网络中。

（图五）亚信AXM57104 TSN PCIe千兆以太网卡解决方案

 

结论

 

智能家居、智能办公室、智能工厂、智能城市、智能交通、…，身处于一个随时随地皆可上网的智能世代，亚信电子为个人计算机、工业计算机与智能嵌入式连网设备，提供容易设计、高性价比的工业/嵌入式网络与I/O桥接芯片解决方案。随着计算机/工业自动化/智能连网设备科技的持续演变，亚信电子对于工业/嵌入式网络与I/O桥接芯片技术，必然会与时俱进地推出符合最新工业/嵌入式计算机系统相关技术的创新产品。让我们拭目以待未来的科技潮流会如何创造一个全新的智能世代…

 

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