適用于工廠自動(dòng)化工作負(fù)載的最受歡迎的I/O端口

隨著物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)和機(jī)器智能的技術(shù)進(jìn)步對(duì)制造業(yè)和自動(dòng)化等行業(yè)提出了更高的要求，數(shù)據(jù)及其價(jià)值在信息技術(shù)（IT）和運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT） 效率方面的變化仍在不斷發(fā)生重大變化 。在這個(gè)轉(zhuǎn)型時(shí)代或所謂的“工業(yè)4.0”時(shí)代，越來越多的設(shè)備連接到機(jī)器。這給計(jì)算系統(tǒng)帶來了巨大的壓力，使其在特定功能和工作負(fù)載性能方面變得通用。

例如，工業(yè)計(jì)算機(jī)現(xiàn)在充當(dāng)平臺(tái)，用于在本地或邊緣級(jí)別進(jìn)行更緊密的工作負(fù)載合并和融合。換句話說，工業(yè)計(jì)算系統(tǒng)現(xiàn)在需要能夠管理各種數(shù)據(jù)輸入，這些數(shù)據(jù)來回傳輸有價(jià)值的信息以進(jìn)行實(shí)時(shí)決策。因此，工業(yè)計(jì)算機(jī)需要支持各種舊式和新式輸入輸出（I ／ O）端口，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的計(jì)算操作。本文將解釋當(dāng)今工業(yè)計(jì)算部署中使用的一些最受歡迎的I ／ O端口。

串行端口

為了使工業(yè)計(jì)算機(jī)能夠與其他設(shè)備通信，串行端口是最常用的傳統(tǒng)端口。串行端口標(biāo)準(zhǔn)可以追溯到1960年代，并且在將近60年后的今天仍在使用。這證明了串行端口的設(shè)計(jì)水平以及其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院唾|(zhì)量。串行端口的主要限制是其數(shù)據(jù)速率，最高約為115，200位／秒。

RS－232 ／ 422／485

對(duì)于舊版串行端口，可以將其配置為以三種不同的模式運(yùn)行：RS－232 ／ 422／485，具體取決于應(yīng)用程序和與其連接的設(shè)備。

RS－232：在此模式下，端口以單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)洳僮鳎褐荒苓B接一個(gè)設(shè)備。通常用于調(diào)制解調(diào)器，鼠標(biāo)或鍵盤。電纜的最大長(zhǎng)度為15m，最大運(yùn)行速度為9，600波特。由于其單端數(shù)據(jù)傳輸，該端口還容易受到傳輸噪聲和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的影響。

RS－422：此模式類似于RS－232，但有一些優(yōu)點(diǎn)。最大電纜長(zhǎng)度可達(dá)1200m。而且，它可以在單主機(jī)，多從機(jī)模式下運(yùn)行。這允許端口最多將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?0個(gè)不同的設(shè)備。與RS－232相比，此模式還具有更好的抗傳輸噪聲能力，因?yàn)樗褂梅珠_的導(dǎo)線對(duì)發(fā)送／接收數(shù)據(jù)并以差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸模式工作。

RS－485：此模式擴(kuò)展了RS－422的功能。它提供了真正的多點(diǎn)拓?fù)?，而不是RS－232 ／ 422的單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。這樣一來，最大連接的設(shè)備數(shù)可以增加到32個(gè)，但有一個(gè)限制，一次只能發(fā)送一個(gè)設(shè)備。

USB端口

USB于1995年被認(rèn)為是老化的串行端口的替代品，USB已成為消費(fèi)和工業(yè)市場(chǎng)上使用的大多數(shù)設(shè)備或傳感器的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)端口。隨著對(duì)更大帶寬的需求增加， 傳統(tǒng)的串行端口無法實(shí)現(xiàn) 視覺攝像頭和指紋讀取 器等現(xiàn)代 物聯(lián)網(wǎng)傳感器；這些類型的設(shè)備需要的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于115．2 b ／ sec。對(duì)于大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)串行端口的數(shù)量與較新的USB端口之間可以達(dá)到很好的平衡。根據(jù) 上 在應(yīng)用程序和環(huán)境中，系統(tǒng)可能需要同時(shí)存在兩個(gè)端口。系統(tǒng)上的舊版串行端口可用于連接到較舊的自動(dòng)化設(shè)備或傳感器，而現(xiàn)代高分辨率相機(jī)則可連接至USB端口。 除了USB端口的 更高的速度和靈活性，它也使智能電源管理連接的USB設(shè)備，缺乏傳統(tǒng)的串行端口上的特性。此電源管理功能使系統(tǒng)可以使不使用的設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)以接通電源，并在需要設(shè)備時(shí)立即將它們喚醒。如果有多個(gè)USB設(shè)備連接到系統(tǒng)，則可以幫助降低系統(tǒng)的總體功耗。

由于現(xiàn)代設(shè)備需要更高的速度，因此串行端口的后繼產(chǎn)品于1995年作為通用串行總線或USB推出。USB的設(shè)計(jì)完全是為了解決傳統(tǒng)串行端口的這些主要限制而設(shè)計(jì)的：

速度： USB 1．0以12 Mb ／秒的數(shù)據(jù)速率啟動(dòng)，遠(yuǎn)大于115．2 b ／ s。USB版本的每次迭代都會(huì)將速度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，到2020年，速度將達(dá)到40 Gb ／ s。

多個(gè)設(shè)備：傳統(tǒng)串行端口主要是一對(duì)一的端口設(shè)計(jì)。這將需要多個(gè)端口才能連接常見的外圍設(shè)備，例如鍵盤或鼠標(biāo)。USB被設(shè)計(jì)為一種智能串行協(xié)議，可以在一個(gè)端口上處理和枚舉多達(dá)128個(gè)設(shè)備。

USB 3．2 Gen 2 ／超高速USB 10 Gbps

USB 3．2 Gen 2（以前稱為USB 3．1）的速度高達(dá)10 Gbps（1），是USB 3．0的最大傳輸速率的兩倍。為避免混淆，USB 3．2 Gen 2通常被稱為“ SuperSpeed USB 10 Gbps”。該規(guī)范可顯著提高性能，以滿足存儲(chǔ)和顯示應(yīng)用程序的計(jì)算要求。通過利用USB基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，新規(guī)范與現(xiàn)有USB產(chǎn)品兼容，從而允許在設(shè)備之間更快，可靠和方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

即使USB端口問世，傳統(tǒng)的串行端口在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中仍然存在。這是由于工廠中仍在使用舊版串行設(shè)備的緣故。這些設(shè)備的數(shù)十年使用經(jīng)驗(yàn)證明了傳統(tǒng)串行端口的可靠性。對(duì)于用于控制生產(chǎn)線或自動(dòng)化的設(shè)備，可靠性和正常運(yùn)行時(shí)間通常比原始傳輸速度或連接多個(gè)設(shè)備的能力重要。

視頻顯示端口

顯卡

最初的顯示端口是由IBM在1987年設(shè)計(jì)的，用于其PS ／ 2系統(tǒng)。被稱為VGA（視頻圖形陣列）端口的視頻接口在32年后仍在使用。VGA設(shè)計(jì)為使用模擬信號(hào)而不是數(shù)字信號(hào)。VGA端口的主要限制是其最大分辨率，并且其設(shè)計(jì)不是可熱插拔的（即使實(shí)際上可以做到這一點(diǎn)，也可能會(huì)損壞端口和顯示器）。?

DVI

1999年發(fā)布的數(shù)字視頻接口（DVI）是旨在取代VGA端口的顯示接口。DVI僅基于數(shù)字信號(hào)，以超出VGA端口的模擬極限。DVI可以兩種不同的模式運(yùn)行，具體取決于所需的最大分辨率和刷新率：?jiǎn)捂溌坊螂p鏈路。單鏈路模式最高可以達(dá)到2560x1600 ＠ 30Hz，而雙鏈路模式則可以達(dá)到3840 x 2400 ＠ 30Hz，這是標(biāo)準(zhǔn)的4K分辨率。

HDMI接口

2002年發(fā)布的高清多媒體接口（HDMI）旨在以各種增強(qiáng)功能代替DVI。但是，一個(gè)重要的區(qū)別是，與DVI不同，HDMI不是開放標(biāo)準(zhǔn)。它是一個(gè)專有接口，并附帶與其使用相關(guān)的許可費(fèi)。HDMI最初是為消費(fèi)電視設(shè)計(jì)的，因此它可以同時(shí)進(jìn)行視頻和音頻傳輸，而這是DVI接口所缺少的。HDMI旨在為將來的發(fā)展提供最大的分辨率和刷新率。當(dāng)前的HDMI 2．x版本可以擴(kuò)展到8K（7680 x 4320 ＠ 120Hz）。為了安全和內(nèi)容保護(hù)，HDMI可以使用HDCP（高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)）來加密其信號(hào)。

DP

顯示端口（DP）于2008年發(fā)布，是VESA支持的開放標(biāo)準(zhǔn)視頻／音頻接口。因此，沒有與DP相關(guān)的許可費(fèi)。與HDMI類似，DP被設(shè)計(jì)為可在數(shù)據(jù)速度，最大分辨率和刷新率方面進(jìn)行擴(kuò)展。DP 2．0當(dāng)前可以達(dá)到10K（10240 x 4320 ＠ 60Hz）。此外，DP附帶了對(duì)增強(qiáng)／虛擬現(xiàn)實(shí)（AR ／ VR）設(shè)備（如耳機(jī)或眼鏡）的支持。

局域網(wǎng)（LAN）和以太網(wǎng)供電（PoE）

對(duì)于高速有線連接，標(biāo)準(zhǔn)的RJ45 LAN端口是工業(yè)和嵌入式計(jì)算常用的。但通常需要設(shè)置和可靠的網(wǎng)絡(luò)布局來布線物理電纜。使用標(biāo)準(zhǔn)銅纜，LAN端口的速度范圍可以從10 ／ 100Mbps或高達(dá)10Gbps，最大電纜長(zhǎng)度為100m。

10GbE

利用10GbE的網(wǎng)絡(luò)以每秒10吉比特的速度傳輸以太網(wǎng)幀，是更常見的GbE連接速度的十倍。10GbE與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的性能進(jìn)步保持同步，以更好地支持利用高速存儲(chǔ)和I ／ O的應(yīng)用程序?，F(xiàn)有的Cat 5e，Cat－6，Cat 6a或?qū)Ｓ玫腃at－7電纜支持10GbE傳輸（取決于距離和所需的帶寬），而無需重新布線。10GbE的相對(duì)簡(jiǎn)單性和速度使邊緣計(jì)算機(jī)可以立即將大量快速采集和處理的數(shù)據(jù)卸載到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)上，從而為運(yùn)營(yíng)商和自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)見解，從而做出正確的決策。

PoE供電

標(biāo)準(zhǔn)LAN端口僅提供數(shù)據(jù)傳輸。但是在某些用例中，例如視頻安全性或監(jiān)視性，需要為多個(gè)IoT設(shè)備或攝像機(jī)提供電源。這項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)稱為“以太網(wǎng)供電”或PoE。

PoE的主要優(yōu)點(diǎn)是消除了電源插座，這在遠(yuǎn)程或移動(dòng)應(yīng)用程序中是不可用的。例如，在公共交通或智慧城市應(yīng)用中啟用PoE的安全攝像機(jī)可從易于維護(hù)和安裝中受益。這是由于一根電纜可以有效地提供數(shù)據(jù)和電源。

以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)及其行業(yè)協(xié)議規(guī)范，PoE的4個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)以及PoE的部署用例

DIO和GPIO端口

數(shù)字I ／ O或通用I ／ O是用于電氣設(shè)備或傳感器的端口，這些端口沒有通用接口，例如舊版串行或USB端口。這些設(shè)備的范圍包括警報(bào)傳感器，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)或生產(chǎn)線自動(dòng)化控制器。通過將這些設(shè)備連接到系統(tǒng)的DIO端口，可以通過軟件控制設(shè)備的動(dòng)作或觸發(fā)。例如，警報(bào)傳感器連接到DIO的輸入端口，而警報(bào)警報(bào)連接到DIO的相應(yīng)輸出端口。然后可以對(duì)軟件應(yīng)用程序進(jìn)行編程，以檢測(cè)輸入端口的狀態(tài)更改（觸發(fā)警報(bào)傳感器），并使輸出端口更改狀態(tài)以觸發(fā)警報(bào)警報(bào)，從而發(fā)出警報(bào)。

系統(tǒng)通常帶有4個(gè)或8個(gè)或更多DIO端口。具有多個(gè)輸入／輸出端口，這將允許系統(tǒng)基于不同的觸發(fā)事件與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互。然后可以對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行編程，以從多個(gè)輸入端口觸發(fā)輸出端口上的一系列相關(guān)操作。擴(kuò)展上面的警報(bào)示例，使用多個(gè)輸出端口，我們不僅可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，還可以在觸發(fā)警報(bào)時(shí)對(duì)警報(bào)進(jìn)行編程，還可以調(diào)用安全功能并同時(shí)關(guān)閉所有門。為了幫助嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員基于DIO端口編寫其應(yīng)用程序，提供了一個(gè)涵蓋Windows和Linux OS的示例代碼包，以使程序員能夠輕松訪問DIO端口。

M12連接器

工業(yè)PC上的標(biāo)準(zhǔn)連接器（例如網(wǎng)絡(luò)，串行或USB）并非設(shè)計(jì)用于惡劣環(huán)境中，例如汽車廠或食品加工廠。對(duì)于這些惡劣的環(huán)境，需要一種堅(jiān)固，可靠且堅(jiān)固的連接器，以確保工業(yè)PC和終端設(shè)備之間的連接不會(huì)中斷。為此，M12連接器于1985年設(shè)計(jì)。M12連接器是具有12 mm鎖定螺紋的圓形連接器。除了內(nèi)置的鎖定機(jī)制外，M12連接器還具有IP65 ，IP68 或更高的防護(hù)等級(jí)，可在沖洗和腐蝕性環(huán)境中提供防水和防塵 保護(hù) 。這些連接器有3、4、5、8和12種不同的針數(shù)。最常用的針配置是8針M12連接器，可用于千兆以太網(wǎng)LAN ／ PoE，舊式串行或USB 2．0。端口。

常見應(yīng)用及其引腳數(shù)：

傳感器和電源：需要3和4針

Profinet和以太網(wǎng)：需要4和8針

現(xiàn)場(chǎng)總線，CANbus和DeviceNet：需要4和5針

信號(hào)完整性：12針

m12連接器的編碼可防止從計(jì)算機(jī)I ／ O正確連接到所連接的設(shè)備。A， B， D和X代碼引腳輸出（見下文）在工業(yè)計(jì)算中最為常見和流行。但是，由于數(shù)字轉(zhuǎn)換要求高速以太網(wǎng)傳輸更快的數(shù)據(jù) ， 因此10gbit以太網(wǎng)的x編碼引腳將最終取代以太網(wǎng)的A和D編碼引腳。

工業(yè)計(jì)算的M12編碼選項(xiàng)：

A編碼的傳感器，直流電源和1 Gbit以太網(wǎng)

B編碼為Profibus

C編碼的交流電源

D編碼的100 Mbit以太網(wǎng)

X編碼的10 Gb以太網(wǎng)

S編碼的交流電源（最終將取代C編碼的電源部件）

T編碼的直流電源（最終將取代A編碼的電源部件）

審核編輯 黃昊宇