工业通信芯片，实现机器人应用高速同步的前提

工业机器人技术的发展可谓是日新月异，不管是从提高生产力的角度，还是从人机互动的角度来说，性能优异的半导体器件都给工业机器人带来了一次次大革新。协作性更强、更加智能化的工业机器人更适合承担工业自动化环境中复杂的任务。
 
为了实现自动化环境中复杂的任务，工业机器人应用程序的高速同步是必不可少的。想要实现机器人应用程序的高速同步，用于工业通信的芯片是其中不可或缺的重要器件。一个性能优异的工业通信芯片能给整个机器人系统带来极低的延迟，这也是保证人机协作足够流畅足够安全的必要条件。这种应用向的器件该具备什么样的性能呢？
 
工业通信应用物理层设备
 
说到工业通信应用物理层设备就不得不提ADI的Chronous工业以太网物理层（PHY）组合。工业以太网PHY作为一种物理层收发器器件，会根据OSI网络模式收发以太网帧。工业PHY的在应用中我们需要考虑到性能、稳定性以及功耗。Chronous系列在延迟和功耗上，都属于业内第一梯队，充分提高确定性应用中的数据传输和信号完整性。
 

（图源：ADI）

 
ADIN1300就是ADI在工业机器人通信应用上首推的PHY，作为一款单端口的千兆以太网首发设备，兼顾低延迟和低功耗，能为机器人应用程序实现高速同步。ADIN1300在1000BASE-T RGMII延迟发射小于68 ns，接收小于226 ns；在100BASE-TX MII延迟发射小于52 ns，接收小于248 ns，名副其实的低延迟。低功耗则体现在对于1000BASE-T的330mW与对于100BASE-TX的140mW。
 
ADIN1300采用了紧凑型6 mm × 6 mm的40引脚架构芯片级（LFCSP）封装，为实现最大的系统级设计灵活性，可通过单独的VDDIO电源配置数据输入/输出管理和MAC接口电源电压。除此之外，利用独特的MAC PHY技术，可以重复使用不支持传统以太网接口的现有低功耗处理器技术，并通过SPI进行连接，优化系统功率预算，在工业网络中实现信号同步并支持TSN发展。
 
TI的工业PHY优势在于尺寸小、抗扰度高同事还提供集成保护。这里依然选择工业机器人应用的PHY-DP83826来看。
 

（图源：TI）

 
DP83826 能够提供很低的确定性延迟和低功耗，并支持10BASE-Te、100BASE-TX以太网协议，可以满足实时工业以太网系统中的严格要求，确定性TX延迟为40ns，RX延迟为170ns。
。该器件包含可实现快速链接的硬件自举、快速链路丢弃检测模式以及用于对系统上的其他模块进行时钟同步的专用参考 CLKOUT。
 
这种小型的系统表现出的参数也的确让人放心，系统中添加了用于增强 EMC 的集成电路，快速链路丢弃小于10µs。为了降低功耗（小于160mW）提供了可编程的节能模式——主动睡眠、深度断电以及WoL局域网唤醒。
 
工业通信REM交换机
 
除了工业通信应用物理层设备，嵌入式实时以太网交换机器件系列也是不可忽视的助力。REM交换机能实现灵活的系统划分，以便选择适合应用需求的处理器，还可以自由地利用任何供应商协议堆栈。
 

（图源：ADI）

 
这里以ADI的REM交换芯片fido5100为例，这是一个在工业机器人通信应用中被广泛使用的器件，应用于可编程的 IEEE 802.3 10 Mbps/100 Mbps 以太网互联网协议版本6（IPv6）和互联网协议版本4（IPv4）交换机，可虚拟支持任意2层或3层协议。这种以太网交换芯片需要提供足够多的端口和灵活的带宽（10 Mbps、100 Mbps和1 Gbps）来匹配复杂的工业场景。当然还要尽可能做到低功耗。
 
接口的传输速率是必须要保障的，fido5100给出的是每28 ns 32位，同时支持低至12.5μs的EtherCAT周期时间和低至31.25μs的PROFINET周期时间。数据使用PriorityChannel队列在交换机之间来回传输，确保实时数据传输可以无延迟地中断非实时数据传输。这样才能做到机器人应用程序的高速同步。
 
小结
 
不仅是对于工业机器人，就整个工业场景运动控制而言，以太网、现场总线以及其他技术从来都是相互竞争的，用以在工业自动化和控制系统中获得对一些最苛刻要求的工作负载的处理权限。以太网展现出了不同网络融合的可能性，基于以太网的通信芯片将在工业机器人通信中发挥重要作用。