智能网关让工厂更聪明

作者:System-on-Chip engineering S.L联合创始人,CEO—— Armando Astarloa

工业物联网( Industrial Internet of Things)的理念是所有的系统都实现全球范围内互联以共享信息,现在这个理念正在快速成为现实。目前,越来越多的公司,尤其是工业装备市场,正在讨论IIoT的更进一步计划。他们正在通过打造包括集成传感器、处理器和通信功能等的复杂系统来构建智能工厂、智能电网甚至是智能城市。这些发展不仅仅提高了企业生产力和利润,同时也丰富了人们的生活。

在Xilinx Zynq All Programmable SoC上实现的新技术有助于将智能系统引入到IIoT制造业。System-on-Chip engineering S.L. (SoC-e)设计的智能网关,提高了流水线生产能力和帮助像Microdeco这样的公司变得连接更可靠、更安全。

Microdeco公司为汽车行业生产小型金属零件。该公司一直在寻找各种方法来提高生产效率,并且一直处于使用智能系统的前沿地位。在位于西班牙埃尔穆阿的中试工厂已经建成了让同一系统中网络、处理和感测等结合在一起的围绕智能网关概念的网络基础设施。

归功于SoC all programmable平台,我们的产品已经获得了包含高端网络、强大处理能力和感测能力的“神奇”功能。我们名为CPPS-Gate40的 产品就嵌入了一颗 Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC,这颗SoC搭载在SoC-e SMARTzynq OEM 模块上。器件的双核ARM Cortex-A9 MPCore配置了多种存储资源(DDR3、Flash和大容量存储单元等)和其他硬件,可支持多通道高速互联网连接。这种基础架构为划分硬件和软件处理提供了极高的自由度来应对应用带来的挑战。

从硬件的角度来看,结合IEEE1558v2硬件支持单元,Zynq SoC可编程逻辑是实现低延时网络任务的最佳选择。下图是 Microdeco公司使用SoC实现 CPPS-Gate40的原理框图。网关设备由SoC-e HSR/PRP/Ethernet网关IP核提供支持。它可以确保环路的每个节点保持550ns的恒定转发时间并协调内部和外部trispeed Ethernet接口。


SoC-e CPPS-Gate40智能IIoT网关方框图

内部接口通过Precise Time Basic (PTB) IP核嗅探和time-stamped,同时为PTP协议栈提供支持。这个IEEE1588v2设备允许智能网关工作在主模式或从模式,可以使用transparent clock或者boundary clock。因此,最终的结果是在每一块设备中都使用一个同步的64位计数器,这个计数器可以用于时间标记、同步、控制和作为一个通用计数器基准来实现 时间敏感网络(TSN) 。

这些网络核都在Zynq SoC的FPGA内实现,同时也可以支持IEEE 802.1X身份认证之类网际安全特性。这种机制,和外部认证服务器相结合,可保护未授权连接接入到网络端口。Zynq SoC逻辑也在securing Layer 2 动态控制相关帧处理中扮演关键角色,比如在IEEE 1588v2 transparent clock运行所需的认证。

通过Zynq SoC的安全引导机制,网络安全特性将得到进一步加强。所有的外部软件和bitstream,甚至是bootloader和操作系统,都通过AES-256加密存储并需要HMAC认证。这个特性,结合设备的其他硬件安全保护机制,确保了整个网络的数据都来自可信来源。

此外,每个CPPS-Gate40都安装了SCOM代理,它和其他相关软件一起运行以下与网络安全相关的任务:监视新连接、身份验证尝试、SSH连接和访问分析工具;病毒/恶意软件检测;网络攻击识别;和ARP流量分析等。

由于需要处理高速数据采集、数字滤波和FFT,传感器接口也在可编程逻辑端实现,然后通过Zynq SoC的PS的UART、I2C、SPI之类的标准通信通道获得(结果)。得益于无缝集成了Linux OS Ubuntu正式发行版系统,在这个设备上实现的软件可支持极广泛的功能列表。

注:本文从最新Xcell杂志中的Issue 94摘录。

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