工业4.0的基础是可靠的通信基础设施。决策者通过基础设施从机器、现场设备和工厂提取数据。要保证机器人和人机接口的可靠性，先要深入了解底层技术选项。

　　工厂车间和手术室虽然截然不同，但所使用的设备都必须可靠、精准地运行，这对于所执行的任务至关重要。随着设备需要更智能的系统、更多数据和更高的保真度，它们对带宽的需求也不断增加。与此同时，速度更快的通信接口必须在抵抗环境危害和电磁兼容性(EMC)的同时，提供同等的可靠性和安全性。EMC是指系统能够在其操作环境中发挥预期作用，不生成电噪声，也不被电噪声过度影响。

　　机器人和机器视觉

　　视觉引导机器人可以在高价值制造环境中提供更高的灵活性和更高的生产可靠性。如果没有视觉引导，机器人只能重复执行同样的任务，直到被重新编程。有了机器视觉，机器人可以执行更加智能的任务，例如，在生产线中，可扫描传送带上的缺陷产品，并由经过调节的机器人捡取缺陷产品，如图1所示。在危险性EMC环境(例如工厂自动化)中，视觉/机器人接口的可靠性和有效性由所选的有线传输技术决定。有多种方式可以实现机器视觉摄像机接口，包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link，或千兆以太网。

　　表1对比了USB、以太网和Camera Link标准的几大关键指标。工业以太网具有多种优势，采用2对100BASE-TX和4对1000BASE-T1标准的线缆最长可达100米，采用新推出的10BASE-T1L标准的单条双绞线最长可达1 km，且EMC性能较高。使用USB 2.0或USB 3.0的线缆不超过5米，除非使用专门的有源USB电缆，且需要使用保护二极管和滤波器来提高EMC性能。但是，随着工业控制器普遍采用USB端口，且带宽最高达到5 Gbps，这为设计人员提供了一些优势。

图1.摄像机机器视觉和机器人——以太网、USB或Camera Link接口

　　Camera Link要求工业控制器配备专用的帧捕获器硬件。USB或以太网无需工业控制器配备额外的帧捕获器卡。Camera Link这个标准最早出现于2000年末，是机器视觉系统最常用的接口。如今，基于USB和以太网的机器视觉摄像机的使用更加广泛，但是，需要对多个摄像机实施预先处理的应用仍在使用Camera Link和帧捕获器，以降低主CPU负载。与千兆以太网相比，即使在基本速度下，Camera Link标准输出的数据量也多达其两倍，且输出距离更短。Camera Link物理层基于低压差模信号(LVDS)，由于与每条线路耦合的共模噪声都会在接收器端有效消除，因此本身具有EMC鲁棒性。LVDS物理层的EMC鲁棒性可通过电磁隔离进行改善。

　　通过在摄像机和机器人链接上使用以太网，以及采用IEEE 802.1时间敏感网络(TSN)交换机的工业控制器，可以最大限度地实现工业摄像机和机器人操作同步。TSN定义了交换式以太网网络中用于时间控制数据路由的第一个IEEE标准。ADI提供全套以太网技术，包括物理层收发器和TSN交换机，以及系统级解决方案、软件和安全功能。

　　表1.机器视觉摄像机的通信接口标准

　　人机接口(HMI)

　　人机接口(HMI)常用于通过人类可读视觉表示方式显示来自可编程逻辑控制器(PLC)的数据。标准HMI可用于追踪生产时间，同时监控关键绩效指标(KPI)和机器输出。操作员可使用HMI执行多项任务，包括开启或关闭交换机，以及增加或降低过程中的压力或速度。HMI通常配备集成式显示屏;但是，配备外接显示屏选项的HMI具有多种优势。采用外部高清多媒体接口(HDMI®)端口的HMI装置更小巧，更容易安装到采用标准DIN电源轨的控制台中，也可用于监控PLC。

　　使用HDMI时，电缆长度可达15米，便于路由到触摸显示屏和控制室，如图2所示。在工业环境中，在更长的电缆上扩展HDMI具有挑战性，因为EMC危害会影响布线。在电机和泵连接至DIN轨道式PLC时，HMI上也可能出现间接瞬变过压。

　　要确保系统鲁棒性，就需要仔细选择接口技术。随着工业以太网迅速发展，现场总线技术(例如CAN或RS-485)变得普及。据业内消息，全球安装的RS-485 (PROFIBUS®)节点已超过6100万个，PROFIBUS过程自动化(PA)设备同比增长7%。PROFINET(工业以太网实施)安装基数为2600万个节点，仅2018年安装的器件数量就达到510万。1如之前所述，利用基于以太网的技术可以实现高EMC性能，这是因为电磁被写入IEEE 802.3以太网标准，且必须在每个节点使用。RS-485器件可以包含电磁隔离，以提高抗噪声能力;保护二极管可以集成在片内，或者置于通信PCB上，以提高对静电放电和瞬变过压的抵抗力。

　　HMI通常需要抗静电放电，且利用ESD保护二极管来提高信号鲁棒性。对于工业HMI，集成增强隔离可保护操作人员免除电气危险。虽然目前提供了面向以太网和RS-485的合理的隔离解决方案，但如今，视频传输主要利用成本高昂的光纤来隔离，这些光纤支持千兆传输速度。ADI公司关于电磁隔离技术的最新进展(例如ADN4654 / ADN4655 / ADN4656 系列，其数据速率可以超过1 Gbps)为设计人员提供了具有竞争力，且成本更低的替代解决方案。

图2.具备以太网和RS-485输入，以及HDMI输出的人机接口(HMI)

　　内窥镜

　　外科成像，包括内窥镜在内，是一种独特的应用，必须在提供高保真图像的同时确保患者的安全。上一代内窥镜设备被称为视频内窥镜，使用一系列玻璃镜片和一个光导管将图像从成像头传输到电荷耦合器件(CCD)传感器。以可见光为媒介，将来自患者的图像传输至内窥镜，这种方法可以隔离有害电流，但是，在制造成本和图像质量方面的表现并不理想。