时间敏感型网络解决方案消弭工业物联网通讯缺口

本文说明全新i.MX RT1180为整合Gbps时间敏感型网络（TSN）交换器的微控制器，如何整合实时网络效能来处理时间敏感型和工业实时通讯，同时包含先进的EdgeLock安全区域（secure enclave），以及广泛的生态系统，帮助开发人员获得简化的微控制器开发体验。
全球各地的制造商已经在运用工业物联网（IIoT）技术从根本上改善营运、简化生产并优化制造能力。制造商们并没有拆除现有工厂，重建生产车间，而是添加部署了更高效的设备、更先进的机器人和更快速的网络。
而诸如PROFINET等传统协议之间的通讯缺口，使这些新技术难以与现有系统协调工作。时间敏感型数据需要透过网络实时传输。这种完全同步的操作需要能支持复杂协议组合并提供向后兼容的技术。为此，不仅需要优化的处理能力、低功耗、硬件安全和灵活的架构，同时还需要系统具备时间敏感型网络的传输能力。

 
图1 : 全球各地的制造商已运用工业物联网（IIoT）技术，期望能从根本上改善营运、简化生产并优化制造能力。

为了满足日益增长的工业应用需求，i.MX RT1180跨界MCU为恩智浦首款整合Gbps时间敏感型网络（Time Sensitive Networking；TSN）交换器的微控制器，支持实时通讯和多种通讯协议，实现现有工业系统和工业4.0平台之间的融合。i.MX RT1180也是恩智浦首款带有EdgeLock安全区域（secure enclave）的跨界MCU，EdgeLock安全区域是一个预先配置、自我管理式自主内建（autonomous on-die）的安全子系统，可简化针对工业物联网和智能制造部署可靠的系统级安全的复杂性。
透过运用整合TSN交换器和安全区域的一体化MCU解决方案，开发人员可以实现各种工业物联网应用要求，处理时间敏感型流量和竭尽所能的传输流量，支持安全自动化系统实现实时通讯能力。

迈向工业多协议互联的新时代
使用整合TSN交换器和支持多协议的MCU可带来显著的应用优势。数据可以透过交换器传入或传出，而实时数据传输可以在无延时的情况下中断非实时数据传输。这些数据队列由交换器驱动程序管理，并与协议堆栈（protocol stack）连接，以实现最高效的数据传输。得益于此，应用软件可以从管理交换器、设置低层缓存器或跟踪复杂的时间管理过程的任务中解放出来，使时间敏感型应用能够始终正常运行。
i.MX RT1180是具有实时工业网络功能的最小MCU之一，因此更容易将应用相关的关键型多协议和TSN功能整合至更广泛的工业用例中。自动化任务需要实时控制所有设备和整个工厂，并保证高精确度、低延迟，RT1180提供了优化的解决方案。工业物联网使用场景包括工厂自动化、紧凑型运动控制、电机控制工业网关、网络终端设备、交流/伺服驱动器、远程I/O管理和IO链路控制器。
i.MX RT1180跨界MCU支持符合EC/IEEE 60802工业TSN规范的最新TSN标准，以及多种工业实时网络协议，包括EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、CC-Link IE和HSR。它还提供多达5个Gb网络端口，包括第2层TSN交换器上的4个埠和TSN端点控制器上的1个埠。
除了提供整合的TSN解决方案外，i.MX RT1180跨界MCU还可作为工业设计中的配套芯片，无需板载PHY，即可在主机设备和配套设备之间提供无缝的1 Gb直接通讯，进而省下额外的电源并节约成本。

为工业物联网保驾护航
虽然智慧工厂带来的好处毋庸置疑，如提高生产和调运效率并节省成本，但工业物联网互联也带来了新的安全风险。随着工厂联网设备数量的激增，潜在的网络安全威胁也在增加。工业流程、营运和网络保护不足，易受攻击，如盗用公司数据和知识产权、干扰或阻碍流程控制、网络安全漏洞以及对关键基础建设和供应链的大面积攻击。
为了?明工厂、设备和网络抵御数字攻击，制造商必须采用并不断维护先进、全面的工业安全平台。从设备端和系统级保护提升安全性，对确保当今智慧互联工厂的安全至关重要。即使是MCU等系统级组件也必须提供高级安全功能。EdgeLock安全区域是完全整合的芯片上（on-die）安全子系统，正好满足要求。
EdgeLock安全区域的功能可以看作i.MX RT1180跨界MCU中的「安全总部」，监督所有安全功能，保护设备免受物理和网络攻击。它能自主管理关键安全功能，如管理信任根、运行时证明、信任配置、安全启动、密钥管理和加密服务等，简化为物联网应用实现强大的装置范围安全智能的复杂性。
EdgeLock安全区域还为IEC 62443系统合规性奠定了组件级基础。IEC 62443是一套安全标准，定义了工业自动化和控制系统（IACS）的安全开发。这些标准为应对工业厂房、设备、网络和基础设施的网络安全威胁要求提供了必要的基础。IEC 62443合规性有助于制造商避免部分和/或冲突要求的激增，可满足多个行业部门和营运场所对营运技术的网络安全需求。

专为提高效率而设计
为了提供高效能和设计灵活性，i.MX RT1180跨界MCU的高效SoC设计包括双核架构，搭载800 MHz Arm Cortex-M7和Cortex-M33内核，可协调实时和应用处理任务。它可以轻松地与恩智浦i.MX处理器等主机芯片进行通讯。这种兼容性简化了工业设计，并精简了实施方案。无需板载PHY（on-board PHY）即可实现高达1Gbps的可扩展无缝主/从芯片通讯，有助于降低工业设计中的功耗和成本。

 
图2 : i.MX RT1180架构图

i.MX RT1180片内整合了电源管理IC（PMIC），专为实现高能效而设计，适合设计功耗为250mW及以上的应用场景，有助于对许多工业应用至关重要的卓越能效，同时还可降低电路板的复杂性和BOM成本。
i.MX RT1180跨界MCU采用10 mm x 10 mm或14 mm x 14 mm BGA封装，可在稳健的扩展温度范围（-40℃至+125℃）下运行，为全年全天候运行的工厂设备提供工业认证和高可靠性，广泛的开发人员生态体系简化基于i.MX RT1180 SoC搭建系统的嵌入式设计体验。MCUXpresso软件和工具套件包括设备配置工具、驱动程序和中间件、功能齐全的IDE、SDK示例和安全配置工具，适用于基于Arm Cortex-M技术的恩智浦MCU。
i.MX RT1180跨界MCU为智能工厂搭建了通往未来的桥梁，采用整合的TSN交换器消弭传统协议标准和当前协议标准之间的缺口。
（本文作者Christian Castel为恩智浦半导体边缘处理业务工业自动化营销全球负责人）