時間敏感型網(wǎng)絡解決方案消弭工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通訊缺口

本文說明全新i.MX RT1180為整合Gbps時間敏感型網(wǎng)絡（TSN）交換器的微控制器，如何整合實時網(wǎng)絡效能來處理時間敏感型和工業(yè)實時通訊，同時包含先進的EdgeLock安全區(qū)域（secure enclave），以及廣泛的生態(tài)系統(tǒng)，幫助開發(fā)人員獲得簡化的微控制器開發(fā)體驗。
全球各地的制造商已經在運用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術從根本上改善營運、簡化生產并優(yōu)化制造能力。制造商們并沒有拆除現(xiàn)有工廠，重建生產車間，而是添加部署了更高效的設備、更先進的機器人和更快速的網(wǎng)絡。
而諸如PROFINET等傳統(tǒng)協(xié)議之間的通訊缺口，使這些新技術難以與現(xiàn)有系統(tǒng)協(xié)調工作。時間敏感型數(shù)據(jù)需要透過網(wǎng)絡實時傳輸。這種完全同步的操作需要能支持復雜協(xié)議組合并提供向后兼容的技術。為此，不僅需要優(yōu)化的處理能力、低功耗、硬件安全和靈活的架構，同時還需要系統(tǒng)具備時間敏感型網(wǎng)絡的傳輸能力。

 
圖1 : 全球各地的制造商已運用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術，期望能從根本上改善營運、簡化生產并優(yōu)化制造能力。

為了滿足日益增長的工業(yè)應用需求，i.MX RT1180跨界MCU為恩智浦首款整合Gbps時間敏感型網(wǎng)絡（Time Sensitive Networking；TSN）交換器的微控制器，支持實時通訊和多種通訊協(xié)議，實現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)和工業(yè)4.0平臺之間的融合。i.MX RT1180也是恩智浦首款帶有EdgeLock安全區(qū)域（secure enclave）的跨界MCU，EdgeLock安全區(qū)域是一個預先配置、自我管理式自主內建（autonomous on-die）的安全子系統(tǒng)，可簡化針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能制造部署可靠的系統(tǒng)級安全的復雜性。
透過運用整合TSN交換器和安全區(qū)域的一體化MCU解決方案，開發(fā)人員可以實現(xiàn)各種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用要求，處理時間敏感型流量和竭盡所能的傳輸流量，支持安全自動化系統(tǒng)實現(xiàn)實時通訊能力。

邁向工業(yè)多協(xié)議互聯(lián)的新時代
使用整合TSN交換器和支持多協(xié)議的MCU可帶來顯著的應用優(yōu)勢。數(shù)據(jù)可以透過交換器傳入或傳出，而實時數(shù)據(jù)傳輸可以在無延時的情況下中斷非實時數(shù)據(jù)傳輸。這些數(shù)據(jù)隊列由交換器驅動程序管理，并與協(xié)議堆棧（protocol stack）連接，以實現(xiàn)最高效的數(shù)據(jù)傳輸。得益于此，應用軟件可以從管理交換器、設置低層緩存器或跟蹤復雜的時間管理過程的任務中解放出來，使時間敏感型應用能夠始終正常運行。
i.MX RT1180是具有實時工業(yè)網(wǎng)絡功能的最小MCU之一，因此更容易將應用相關的關鍵型多協(xié)議和TSN功能整合至更廣泛的工業(yè)用例中。自動化任務需要實時控制所有設備和整個工廠，并保證高精確度、低延遲，RT1180提供了優(yōu)化的解決方案。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)使用場景包括工廠自動化、緊湊型運動控制、電機控制工業(yè)網(wǎng)關、網(wǎng)絡終端設備、交流/伺服驅動器、遠程I/O管理和IO鏈路控制器。
i.MX RT1180跨界MCU支持符合EC/IEEE 60802工業(yè)TSN規(guī)范的最新TSN標準，以及多種工業(yè)實時網(wǎng)絡協(xié)議，包括EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、CC-Link IE和HSR。它還提供多達5個Gb網(wǎng)絡端口，包括第2層TSN交換器上的4個埠和TSN端點控制器上的1個埠。
除了提供整合的TSN解決方案外，i.MX RT1180跨界MCU還可作為工業(yè)設計中的配套芯片，無需板載PHY，即可在主機設備和配套設備之間提供無縫的1 Gb直接通訊，進而省下額外的電源并節(jié)約成本。

為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)保駕護航
雖然智慧工廠帶來的好處毋庸置疑，如提高生產和調運效率并節(jié)省成本，但工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)也帶來了新的安全風險。隨著工廠聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量的激增，潛在的網(wǎng)絡安全威脅也在增加。工業(yè)流程、營運和網(wǎng)絡保護不足，易受攻擊，如盜用公司數(shù)據(jù)和知識產權、干擾或阻礙流程控制、網(wǎng)絡安全漏洞以及對關鍵基礎建設和供應鏈的大面積攻擊。
為了?明工廠、設備和網(wǎng)絡抵御數(shù)字攻擊，制造商必須采用并不斷維護先進、全面的工業(yè)安全平臺。從設備端和系統(tǒng)級保護提升安全性，對確保當今智慧互聯(lián)工廠的安全至關重要。即使是MCU等系統(tǒng)級組件也必須提供高級安全功能。EdgeLock安全區(qū)域是完全整合的芯片上（on-die）安全子系統(tǒng)，正好滿足要求。
EdgeLock安全區(qū)域的功能可以看作i.MX RT1180跨界MCU中的「安全總部」，監(jiān)督所有安全功能，保護設備免受物理和網(wǎng)絡攻擊。它能自主管理關鍵安全功能，如管理信任根、運行時證明、信任配置、安全啟動、密鑰管理和加密服務等，簡化為物聯(lián)網(wǎng)應用實現(xiàn)強大的裝置范圍安全智能的復雜性。
EdgeLock安全區(qū)域還為IEC 62443系統(tǒng)合規(guī)性奠定了組件級基礎。IEC 62443是一套安全標準，定義了工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)（IACS）的安全開發(fā)。這些標準為應對工業(yè)廠房、設備、網(wǎng)絡和基礎設施的網(wǎng)絡安全威脅要求提供了必要的基礎。IEC 62443合規(guī)性有助于制造商避免部分和/或沖突要求的激增，可滿足多個行業(yè)部門和營運場所對營運技術的網(wǎng)絡安全需求。

專為提高效率而設計
為了提供高效能和設計靈活性，i.MX RT1180跨界MCU的高效SoC設計包括雙核架構，搭載800 MHz Arm Cortex-M7和Cortex-M33內核，可協(xié)調實時和應用處理任務。它可以輕松地與恩智浦i.MX處理器等主機芯片進行通訊。這種兼容性簡化了工業(yè)設計，并精簡了實施方案。無需板載PHY（on-board PHY）即可實現(xiàn)高達1Gbps的可擴展無縫主/從芯片通訊，有助于降低工業(yè)設計中的功耗和成本。

 
圖2 : i.MX RT1180架構圖

i.MX RT1180片內整合了電源管理IC（PMIC），專為實現(xiàn)高能效而設計，適合設計功耗為250mW及以上的應用場景，有助于對許多工業(yè)應用至關重要的卓越能效，同時還可降低電路板的復雜性和BOM成本。
i.MX RT1180跨界MCU采用10 mm x 10 mm或14 mm x 14 mm BGA封裝，可在穩(wěn)健的擴展溫度范圍（-40℃至+125℃）下運行，為全年全天候運行的工廠設備提供工業(yè)認證和高可靠性，廣泛的開發(fā)人員生態(tài)體系簡化基于i.MX RT1180 SoC搭建系統(tǒng)的嵌入式設計體驗。MCUXpresso軟件和工具套件包括設備配置工具、驅動程序和中間件、功能齊全的IDE、SDK示例和安全配置工具，適用于基于Arm Cortex-M技術的恩智浦MCU。
i.MX RT1180跨界MCU為智能工廠搭建了通往未來的橋梁，采用整合的TSN交換器消弭傳統(tǒng)協(xié)議標準和當前協(xié)議標準之間的缺口。
（本文作者Christian Castel為恩智浦半導體邊緣處理業(yè)務工業(yè)自動化營銷全球負責人）