SOC 可編程平臺 - 采用Zynq SoC的智能網(wǎng)關(guān)可提高世界一流制造廠的生產(chǎn)力

SOC 可編程平臺如何創(chuàng)造機(jī)會
高端網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)大處理和傳感功能相結(jié)合的這種“魔力”已經(jīng)得以實現(xiàn)，這要得益于 SoC 可編程平臺。我們名為 CPPSGate40 的產(chǎn)品內(nèi)嵌一款在 SoC-e SMARTzynq OEM 模塊上實現(xiàn)的賽靈思 Zynq-7000 All Programmable SoC 器件。器件上的雙核 ARM? Cortex?-A9 MPCore? 搭配有不同的存儲器資源（DDR3、閃存和大型存儲單元等）和硬件，支持多個高速網(wǎng)絡(luò)鏈路。該基礎(chǔ)架構(gòu)可在對軟硬件處理進(jìn)行分區(qū)時提供極大的自由度，以面對這些應(yīng)用提出的挑戰(zhàn)。

從硬件角度看，Zynq SoC 的可編程邏輯與 IEEE 1588v2 硬件支持單元相結(jié)合，是實現(xiàn)低時延網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的最佳選擇。圖 4 是 Microdeco 實施方案中 CPPS-Gate40 的 SoC 實現(xiàn)方案方框圖。網(wǎng)絡(luò)的交換基礎(chǔ)架構(gòu)通過 SoC-e HSR/ PRP／以太網(wǎng)交換機(jī) (HPS) IP 核進(jìn)行協(xié)調(diào)，其不僅可確保環(huán)路每個節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)時間都是恒定 550ns，而且還集成內(nèi)外部三速以太網(wǎng)端口。

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圖 4 — Zynq SoC 實現(xiàn)方案的方框圖

內(nèi)部端口由精確時間基本 (PTB) IP 核進(jìn)行嗅探并提供時間戳，從而可為 PTP 協(xié)議棧提供支持。該 IEEE 1588v2 基礎(chǔ)架構(gòu)允許智能網(wǎng)關(guān)作為主機(jī)、從機(jī)、透明時鐘和冗余時鐘工作。因而，最后在每個設(shè)備中，都可將同步 64 位定時器用于提供時間戳，實現(xiàn)同步和控制并可用作通用時間參考，實現(xiàn)時間敏感型網(wǎng)絡(luò)技術(shù) (TSN) 網(wǎng)絡(luò)。

此外，這些在 Zynq SoC 的 FPGA 上實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核還可隨時支持 IEEE 802.1X 身份驗證等網(wǎng)絡(luò)安全特性。該機(jī)制與外部身份驗證服務(wù)器相結(jié)合，可保護(hù)對網(wǎng)絡(luò)端口的非授權(quán)連接。在實時時確保 L2 控制幀安全過程中，Zynq SoC 的可編程邏輯也可發(fā)揮至關(guān)重要的作用，這就類似于IEEE 1588v2 透明時鐘操作需要身份驗證那樣。

網(wǎng)絡(luò)安全可通過 Zynq SoC 的安全引導(dǎo)功能進(jìn)一步加強(qiáng)。所有外部軟件和器件外比特流，甚至引導(dǎo)加載程序和操作系統(tǒng)，都進(jìn)行了存儲、AES-256 加密和 HMAC 身份驗證。該特性加上器件中包含的其它硬件安全保護(hù)功能，可確保整個網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)中的數(shù)據(jù)都來自可信源。

此外，安裝在每個 CPPS-Gate40 中的 SIEM 代理還運(yùn)行（在其它設(shè)備中）下列與安全有關(guān)的任務(wù)：監(jiān)控新連接、身份驗證嘗試、SSH 連接以及對分析工具的訪問；病毒／惡意軟件檢測；網(wǎng)絡(luò)攻擊識別；以及 ARP 流量分析。

傳感器接口也在可編程邏輯部分（高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波和 FFT）通過 Zynq SoC 處理系統(tǒng)上提供的部分標(biāo)準(zhǔn)通信通道實現(xiàn)（UART、I2C、SPI）。

該設(shè)備上實現(xiàn)的軟件基礎(chǔ)架構(gòu)受益于 Linux OS Ubuntu 在器件上的無縫集成。Linux 支持的功能非常廣泛。圖 5 針對 Microdeco 的特定實現(xiàn)方案，總結(jié)了基于 Linux OS 實現(xiàn)的最具相關(guān)性的軟件服務(wù)。

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圖 5 — 智能工廠網(wǎng)絡(luò)的軟件基礎(chǔ)架構(gòu)

已開發(fā)出的基于 Python 的 PLC 仿真器，可作為關(guān)鍵組件用來映射著名 Modbus TCP 方案中的傳感器接口。該方法可簡化與第三方 MES 軟件的通信。

同時，SQL 客戶端可將原始傳感器數(shù)據(jù)包及預(yù)處理傳感器數(shù)據(jù)包發(fā)送至遠(yuǎn)程 SQL 服務(wù)器。具體告警及所選數(shù)據(jù)可在基于云的 couchDB 數(shù)據(jù)庫中直接發(fā)布。數(shù)據(jù)分析可在企業(yè)或云服務(wù)器中遠(yuǎn)程執(zhí)行，甚至可通過智能網(wǎng)關(guān)本地執(zhí)行。對于最后這個目標(biāo)，該產(chǎn)品包含一個時間數(shù)據(jù)庫，其不僅可預(yù)測生產(chǎn)中的故障或其它已定義的行為，而且還可就地采取行動。Juxt.io 提供的大數(shù)據(jù)分析軟件負(fù)責(zé)執(zhí)行與機(jī)器行為有關(guān)的預(yù)測分析任務(wù)。

有了 SoC-e 的便攜式工具 API，我們可以通過 SNMP 來提供網(wǎng)絡(luò)管理支持。網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)架構(gòu)的構(gòu)建基礎(chǔ)是 SoC-e IP 的硬件支持以及用于網(wǎng)絡(luò)及用戶活動監(jiān)控的集成型 SIEM 代理。

通過技術(shù)增加利潤
德國的 Fraunhofer 工業(yè)工程與自動化研究所預(yù)測：到 2025 年，工業(yè) 4.0 可能會促進(jìn)生產(chǎn)力實現(xiàn) 20%-30% 的飛躍式增長。然而，工業(yè)市場需要循序漸進(jìn)的變革以及友好的技術(shù)和解決方案。例如，Microdeco 工廠就受益于高級技術(shù)，以在其生產(chǎn)線中集成靈活且計算能力強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和處理基礎(chǔ)架構(gòu)。