工业网络包括无线连接

有线系统在传统工厂中已经得到了证明，在传统工厂中，生产是基于长时间的产品运行，很少有变化。电缆或光纤支持安全、实时、可靠的链接，具有高数据速率和易于理解的延迟。局域网(LANs)可以被组织成以太网星型、树型、菊花链、分段分支、网状或环形拓扑结构。每一种都有优点和缺点。例如，星型配置使用自己的专用链路分配设备，这在布线方面是昂贵的，但提供了出色的可用性。环形拓扑具有共享资源，但具有弹性，因为它可以在电缆损坏的情况下绕着环形路由。

无线传输依赖于工厂内部的电磁传播特性。这种环境可能非常恶劣，因为机器会产生射频噪声，而传输信号会被金属设备和墙壁反射，从而扭曲信号。尽管如此，如果能够克服这些问题，它为工业网络提供了许多好处。

主要优点是设备不被电缆“拴”在原地，可以在机器地板内移动和重新定位。今天，许多生产线被要求高度灵活，并迅速切换到不同的任务。这可能包括重新配置线路以保持效率，并为新任务重新编程机器。

技术的发展，低成本带动了需求

那么，是什么改变使无线技术成为可行的技术呢?有两个主要原因。首先，在蜂窝连接等现代系统中使用的技术在效率和弹性方面都取得了快速进展。第二个因素是推出具有成本效益、低功耗、高度集成的现场可编程射频(FPRF)设备。

许多参与蜂窝活动的公司的联合发展推动了无线技术的重大进步。这提高了无线电频谱的使用效率。效率是以每秒每赫兹(bit/s/Hz)带宽来衡量的，反映了在给定频带内可以传输多少信息。早期的2G很难达到0.5 bit/s/Hz，而过去十年推出的3G系统支持的速率不到3 bit/s/Hz。相比之下，长期演进(LTE)规范，有时被称为4G，将最大带宽推至5比特/秒/赫兹，在20mhz频谱中提供100mbps的头条速度。这个数量级的急剧增长证明了开发人员的技能和独创性。

进一步的开发工作也导致了调制技术的进步。最重要的新方案是多输入多输出(MIMO)。这是一个复杂的配置，使用两个或多个天线，它们被物理距离隔开。在发射器上使用两个天线，在接收器上使用两个天线的配置称为2 x 2 MIMO系统。通过增加更多天线和收发器，可以扩展到4 x 4或8 x 8 MIMO。

MIMO改变了游戏规则

采用MIMO技术可以提高频谱效率，并获得提高链路可靠性的分集增益。在每个天线上传输不同的数据，并在接收器上解码和组合这些数据，从而实现频谱效率。对于工业应用，提高链路可靠性的分集增益是考虑MIMO的主要原因。每个发射器都传播相同的数据模式，这些模式在接收器处建设性地叠加起来。由于衰落和干扰或在多路传输条件下，MIMO可以提供更好的性能，其中信号从机械或建筑物反射，导致接收器处的信号失真。此外，在两个无线电之间有视线的地方，可以形成定向波束。这是通过调整发送到发射机每个天线的信号的相位来实现的，因此信号是可加的。多个天线可以提供具有波束形成能力的复合信号，可以用更强的信号“照亮”用户或机器。

MIMO传输使用正交频分复用(OFDM)，这是一种使用多个载波的技术，其中每个载波都用低数据速率信号调制。载波频率的组织使它们不会相互干扰，因为系统设计了正交性。然而，来自每个载波的单个信号在接收机上聚合，并且组合信号的组合提供更高的数据速率。此外，基带信号通常用前向纠错码(如Reed-Solomon)进行预处理，其中算法可以纠正传输错误。

最新的现场可编程射频(FPRF)设备，称为LMS7002M，是“mimo就绪”，因为它有两个相同的无线收发器。这些可编程频率范围为0.1至3800 MHz，因此涵盖了ITU-R定义的6.765 MHz至2.45 GHz的所有ISM频段。在此之上的频率，如5.8 GHz频段，也可以容纳，只需添加一个简单的外部电路。

MIMO系统的一个重要特性是信道在相位关系方面应该紧密匹配。采用同相分量和正交分量(I&Q)数据流对载波进行调制。对于某些无线架构来说，在两个信道中实现相匹配可能非常棘手，需要大量的调整和与基带逻辑的复杂交互才能使系统对准单个频率。相比之下，LMS7002M包含一个运行行业标准8051代码的片上微控制器，简化了芯片的校准。它校准直流偏置，TX/RX LPF带宽调谐，发射本振漏馈通，IQ增益和发射和接收链中的相位不匹配，以及处理片上电阻和电容校准。为了补充校准设施，可以启用内部RF环回路径来测试设备的操作，作为设备上BIST的一部分。

工业网络弹性

工业网络应该具有自愈能力，具有高MTBF和高冗余。无线系统提供了星形或网状地形配置的能力，这允许它在节点故障或退出服务时重新配置，也可以轻松扩展以添加新节点。网络还必须提供实时访问和控制，无线收发器提供高达120 MHz的RF调制带宽的高数据速率，这相当于60 MHz基带IQ带宽。

FPRF的可编程特性可以在工业环境中以多种方式加以利用。首先，设备可以根据当地需求进行调整，例如美洲的902 - 928 MHz或EMEA地区的433 - 434 MHz。然而，除了简单的出厂设置选项之外，还可以充分利用这种灵活性。由于无线子系统可以在宽频谱范围内进行动态可调，因此可以智能地改变信道以减轻干扰。基带芯片控制FPRF，当通信链路不满意时，它可以与远端达成协议，移动到另一个频率。事实上，FPRF能够支持快速跳频能力，可用于噪声环境。这类似于军用无线电中用来规避有意干扰的方案，除了在工业环境中，噪音来自工厂机器。跳跃的另一个好处是，它通过挫败窥探数据的尝试，极大地增强了系统安全性。

也可以设计一个无线集线器，它不仅可以与工厂机器通信。例如，它可以重新调到私人移动无线电(PMR)或通用移动无线电服务(GMRS)频率，这些频率可能由叉车司机等移动工人使用。类似地，FPRF覆盖所有蜂窝波段，因此它同样擅长重新配置以跟踪资产或联系路上的卡车司机。蜂窝电话选项还允许使用自带设备的手机直接与工厂工人通话。这种级别的灵活性允许工厂管理在企业内进行简单的“一键式”通信。

传输的数据包可以是诸如WirelessHART、ISA100.11a或6loWPAN之类的技术，因为无线传输与有效载荷无关。由于MIMO系统提供了增强的可靠性，还可以包括IEEE 1588v2等技术，为控制指令提供准确的时间戳。数据还可以加密，如果需要，还可以以数据包为基础进行身份验证。

基带芯片组是电源管理的关键

MIMO在发射机和接收机上都需要复杂的处理，但这在现代基带解决方案的能力范围内。处理器解决方案是可能的，但是创建调制模式以支持高数据速率将需要非常快的处理器，这将是昂贵的，并消耗大量的电力。Altera Cyclone V SE等现代fpga是无线节点的理想选择，Arria V SX是高性能集线器的理想选择。两者都提供非常灵活的可编程解决方案，因为每个系列都支持丰富的逻辑、内存、DSP功能以及嵌入式ARM处理器。32位ARM核心提供了一个集成的设备，可以与逻辑结构接口或运行外部代码。

基带芯片的功能是对I&Q数据流进行编码或解码，并通过SPI接口对FPRF进行编程。基带设备还可以控制所使用的调制方案，例如，除OFDM外，还可以是正交相移键控(QPSK)、正交振幅调制(QAM)、宽带码分多址(W-CDMA)。例如，逻辑结构、存储器和DSP元件可以配置为以FFT或DFT和前向纠错(FEC)的形式执行离散傅里叶变换，并为MIMO技术生成调制模式。这些可以由芯片上的ARM核心根据需要进行配置，ARM核心可以实例化所需的功能组合。该逻辑还可以用于加密数据，例如，使用高级加密标准(AES)进行数据保密，或者使用更复杂的AES- gcm，以确保数据在传输过程中没有被恶意更改或损坏。

fpga已上电配置。配置文件通常保存在外部非易失性存储器(NMV)中，例如Flash，它对逻辑结构和ARM核心进行编程。ARM可执行文件通常也存储在NMV中。NVM还可以保存FPRF的SPI配置数据的副本。该数据为处理器提供了一种简单的方法来存储和访问地址和数据，用于在FPRF上编程频率、带宽、增益和DSP元件。这使得客户能够在现场使用新的固件文件更新NVM，以添加新功能或支持新标准。

最新的高度集成无线FPRF器件和fpga提供了一种具有成本效益和强大的解决方案。它们所提供的功能可以在现代生产设施中加以利用，以提供灵活的工业通信。

- Paul Dillien，特许工程师和工程技术学会(MIET)成员，高科技营销的首席顾问。由主编埃里克·艾斯勒编辑，石油与天然气工程，eeissler@cfemedia.com．

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