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Wie man bessere Kommunikationssysteme entwirft

15. März 2021, 10:21 Uhr   |  Richard Anslow, Neil Quinn

Wie man bessere Kommunikationssysteme entwirft
© Analog Devices

HMI mit Ethernet und RS-485-Eingängen sowie HDMI-Ausgang

Robuste und sichere Schnittstellen mit hoher Bandbreite für Anwendungen wie etwa Bild- und Video-Verarbeitung in Industrie und Medizin zu entwickeln, ist nach wie vor nicht trivial. Analog Devices bietet einige spezielle Techniken an, die dies vereinfachen.

Eine zuverlässige Kommunikationsinfrastruktur ist die Basis für Industrie 4.0. Die Anforderungen an die Bandbreite wachsen dabei stetig, weil der Bedarf an umfassenderen Daten und höherer Genauigkeit ebenso zunimmt wie der an smarteren Systemen wie etwa modernen Human Machine Interfaces (HMI) und kamerageführten Robotern. Schnellere Kommunikationsschnittstellen müssen jedoch die gleiche Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bieten.

Kamerageführte Roboter ermöglichen bei der Herstellung hochwertiger Produkte viel Flexibilität. In EMV-gefährdeten Umgebungen wie etwa Fabrikhallen hängen die Zuverlässigkeit und Effektivität der Bildverarbeitungs-/Roboter-Schnittstelle allerdings von der gewählten drahtgebundenen Verbindungstechnik ab. Als Kamera-Interface für die Bildverarbeitung bietet Industrial Ethernet viele Vorteile wegen der maximalen Kabelreichweite von 100 m für Zweidraht-100BASE-TX und Vierdraht-1000BASE-T1 sowie bis zu 1 km mit dem neuen Standard 10BASE-T1L (Ethernet APL) über ein einziges verdrilltes Leitungspaar mit guter EMV. Die Zeitsynchronisierung zwischen der Industriekamera und der Aktion des Roboters wird am besten mittels Ethernet sowohl an der Kamera- als auch an der Roboter-Schnittstelle erreicht sowie mittels eines industriellen Controllers, der einen IEEE-802.1-TSN-Switch (Time-Sensitive Networking) verwendet. TSN definiert den ersten IEEE-Standard für das zeitgesteuerte Daten-Routing in Switched-Ethernet-Netzwerken. Analog Devices bietet eine komplette Palette von Ethernet-Technologien an, einschließlich Physical Layer Trans­ceiver und TSN-Switches, aber auch Systemlösungen, Software und Sicherheitsfunktionen

Analog Devices
© Analog Devices

Industrielle Bildverarbeitung mit Kamera und Roboter, gesteuert über Ethernet-, USB- oder CameraLink-Schnittstelle

HMIs mit integrierten Bildschirmen sind heutzutage üblich, jedoch bieten HMIs mit abgesetzten Bildschirmen einige Vorteile. HMIs mit HDMI-Ausgang (High-Definition Multimedia Interface) lassen sich leicht auf Standard-Hutschienen integrieren. Mit HDMI sind Kabellängen von bis zu 15 m möglich, was den problemlosen Anschluss von Touchscreens und die Installation in Kontrollräumen ermöglicht. Die Erweiterung der Kabellänge von HDMI über größere Distanzen kann jedoch in industriellen Umgebungen zur Herausforderung werden, weil elektromagnetische Störungen in die Verkabelung eindringen können.

Um die Robustheit des Systems sicherzustellen, ist eine sorgfältige Auswahl der Schnittstellentechnik wichtig. Feldbusse wie CAN oder Profibus (auf Basis von RS-485) sind allgemein noch üblich, wobei aber Industrial Ethernet rasch an Bedeutung gewinnt. Mit Techniken auf Ethernet-Basis lässt sich eine gute EMV erreichen, weil die magnetischen Komponenten im IEEE-802.3-Ethernet-Standard enthalten sind und in jedem Knoten vorhanden sein müssen. Während geeignete Isolierungsmaßnahmen für Ethernet und RS-485 erhältlich sind, werden heutzutage Videoverbindungen über teure Glasfaserkabel mit Gigabit-Übertragungsgeschwindigkeit isoliert. Die jüngsten Verbesserungen in der magnetischen Isolierungstechnik von Analog Devices, etwa die Bausteine der Familie ADN4654/ADN4655/ADN4656-Familie, die sich für Datenraten über 1 Gbit/s eignen, bieten Entwicklern eine überzeugende und preisgünstige Alternative.

Die Bildverarbeitung in der Medizin, einschließlich der Endoskopie, bringt die Herausforderung mit sich, dass einerseits hochauflösende Bilder erzeugt werden müssen, andererseits aber die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten ist. Mit dem Übergang auf digitale Endoskope ist ein schnelles elektrisches Interface zwischen dem CMOS-Bildsensor, der Kontakt zum Patienten hat, und der Camera Control Unit (CCU) nötig. LVDS und SLVDS (Scalable Low Voltage Differential Signaling) haben sich zu populären Physical Layers für diese Verbindung entwickelt, aber haben das Potenzial, gefährliche Ströme zu leiten.

Der Standard IEC 60601 für elektrische medizinische Geräte definiert strenge Anforderungen an Komponenten, die den Schutz der Patienten vor gefährlichen Spannungen einhalten müssen. Eine sicherheitsrelevante schnelle Breitbandverbindung ist beispielsweise für die elektrische Videoverbindung von einem CMOS-Bildsensor zur CCU des Endoskops erforderlich. Analog Devices offeriert spezielle Lösungen zur Implementierung dieser Verbindung über eine bewährte Sicherheitsbarriere, um die Anforderungen des IEC-60601-Standards zu erfüllen.

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1. Wie man bessere Kommunikationssysteme entwirft
2. Digitale Gigabit-Isolierung
3. HDMI mit der Circuit Note CN-0422 isolieren

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