智能网关让工厂更智能

SOC 可编程平台如何创造机会

高端网络、强大处理和传感功能相结合的这种“魔力”已经得以实现，这要得益于 SoC 可编程平台。我们名为 CPPSGate40 的产品内嵌一款在 SoC-e SMARTzynq OEM 模块上实现的赛灵思 Zynq-7000 All Programmable SoC 器件。器件上的双核 ARM® Cortex™-A9 MPCore™ 搭配有不同的存储器资源（DDR3、闪存和大型存储单元等）和硬件，支持多个高速网络链路。该基础架构可在对软硬件处理进行分区时提供极大的自由度，以面对这些应用提出的挑战。

从硬件角度看，Zynq SoC 的可编程逻辑与 IEEE 1588v2 硬件支持单元相结合，是实现低时延网络任务的最佳选择。图 4 是 Microdeco 实施方案中 CPPS-Gate40 的 SoC 实现方案方框图。网络的交换基础架构通过 SoC-e HSR/ PRP／以太网交换机 (HPS) IP 核进行协调，其不仅可确保环路每个节点的转发时间都是恒定 550ns，而且还集成内外部三速以太网端口。

内部端口由精确时间基本 (PTB) IP 核进行嗅探并提供时间戳，从而可为 PTP 协议栈提供支持。该 IEEE 1588v2 基础架构允许智能网关作为主机、从机、透明时钟和冗余时钟工作。因而，最后在每个设备中，都可将同步 64 位定时器用于提供时间戳，实现同步和控制并可用作通用时间参考，实现时间敏感型网络技术 (TSN) 网络。

此外，这些在 Zynq SoC 的 FPGA 上实现的网络内核还可随时支持 IEEE 802.1X 身份验证等网络安全特性。该机制与外部身份验证服务器相结合，可保护对网络端口的非授权连接。在实时时确保 L2 控制帧安全过程中，Zynq SoC 的可编程逻辑也可发挥至关重要的作用，这就类似于IEEE 1588v2 透明时钟操作需要身份验证那样。

网络安全可通过 Zynq SoC 的安全引导功能进一步加强。所有外部软件和器件外比特流，甚至引导加载程序和操作系统，都进行了存储、AES-256 加密和 HMAC 身份验证。该特性加上器件中包含的其它硬件安全保护功能，可确保整个网络基础架构中的数据都来自可信源。

此外，安装在每个 CPPS-Gate40 中的 SIEM 代理还运行（在其它设备中）下列与安全有关的任务：监控新连接、身份验证尝试、SSH 连接以及对分析工具的访问；病毒／恶意软件检测；网络攻击识别；以及 ARP 流量分析。

传感器接口也在可编程逻辑部分（高速数据采集、数字滤波和 FFT）通过 Zynq SoC 处理系统上提供的部分标准通信通道实现（UART、I2C、SPI）。

该设备上实现的软件基础架构受益于 Linux OS Ubuntu 在器件上的无缝集成。Linux 支持的功能非常广泛。图 5 针对 Microdeco 的特定实现方案，总结了基于 Linux OS 实现的最具相关性的软件服务。


图5 智能工厂网络的软件基础架构

已开发出的基于 Python 的 PLC 仿真器，可作为关键组件用来映射著名 Modbus TCP 方案中的传感器接口。该方法可简化与第三方 MES 同时，SQL 客户端可将原始传感器数据包及预处理传感器数据包发送至远程 SQL 服务器。具体告警及所选数据可在基于云的 couchDB 数据库中直接发布。数据分析可在企业或云服务器中远程执行，甚至可通过智能网关本地执行。对于最后这个目标，该产品包含一个时间数据库，其不仅可预测生产中的故障或其它已定义的行为，而且还可就地采取行动。Juxt.io 提供的大数据分析软件负责执行与机器行为有关的预测分析任务。

有了 SoC-e 的便携式工具 API，我们可以通过 SNMP 来提供网络管理支持。网络安全基础架构的构建基础是 SoC-e IP 的硬件支持以及用于网络及用户活动监控的集成型 SIEM 代理。

通过技术增加利润

德国的 Fraunhofer 工业工程与自动化研究所预测：到 2025 年，工业 4.0 可能会促进生产力实现 20%-30% 的飞跃式增长。然而，工业市场需要循序渐进的变革以及友好的技术和解决方案。例如，Microdeco 工厂就受益于高级技术，以在其生产线中集成灵活且计算能力强大的网络和处理基础架构。

该方案背后的推动力包括：采用针对网络和数据格式的开放标准；使用可扩展、可重新分区的 SoC 可重配置器件；以及选择可提供高生产力的软件框架（例如嵌入式 Linux 上的 Python）。此外，通过使用现成的增值硬件 IP，制造商可显著缩短上市时间，满足新市场的需求。当然，系统还必须在器件、软件和网络层面上实现最高级别的网络安全性。

如需了解有关SoC-e的IIoT IP产品组合的更多信息，敬请访问：www.soc-e.com。