THine Value 針對工業用途的環狀網路方案,採用易於使用的8B10B Serial transceiver
2021.01.20
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「可廣泛應用且易於使用的Serial transceiver」——這是THine Electronics於 2019 年 11 月推出的Transceiver IC「THCS251」時所提出的。該產品也被稱為「8B10B Transceiver」。
這款Transceiver IC 將發送器（Transmitter）與接收器（Receiver）整合在單一晶片中。
在Master端與Slave端各配置一顆Transceiver IC,並以兩組差動線路連接兩者。將這兩組差動線路分別作為Uplink與Downlink使用,即可實現全雙工通訊（圖1）。
圖1 使用THCS251 的點對點（Peer-to-Peer）傳輸系統
最大的特色正如其宣傳所說，就是「可廣泛應用且易於使用」。這款Transceiver IC配備了 35 bit的parallel輸入／輸出（I/O）端子。在Master端,將欲傳送的資料輸入至這些parallel I/O 端子,例如12 bit的影像訊號或低速控制訊號等。接著,內建的Serializer（8B10B 編碼電路）會自動將輸入的資料序列化,並透過一組差動線路進行傳輸。
另一方面,在Slave端,接收到的訊號會由Deserializer（8B10B解碼電路）自動還原成原始資料,再分離成影像訊號、控制訊號等,並透過parallel I/O 端子輸出。
也就是說使用者需要進行的工作,基本上只有設定端子而已,完全不需要進行任何軟體開發。
而且所需使用的元件只有分別安裝在Master端與Slave端電路板上的兩顆Transceiver IC,不需要其他 IC。
除此之外,THine Electronics之所以說「可廣泛應用且易於使用」,還有其他原因。那就是非常容易實現無線通訊化或光通訊化。只要在Master端的Transceiver IC 後方,以及Receiver的Transceiver IC 前方連接光收發器模組,就可以實現光通訊。例如,只要連接短距離無線裝置,就能簡單地滿足「希望建構能與可拆卸模組進行資料通訊的系統」、「希望建構透過無線化大幅降低維護工時的系統」等需求。
這款Transceiver IC 將發送器（Transmitter）與接收器（Receiver）整合在單一晶片中。
在Master端與Slave端各配置一顆Transceiver IC,並以兩組差動線路連接兩者。將這兩組差動線路分別作為Uplink與Downlink使用,即可實現全雙工通訊（圖1）。
圖1 使用THCS251 的點對點（Peer-to-Peer）傳輸系統
最大的特色正如其宣傳所說，就是「可廣泛應用且易於使用」。這款Transceiver IC配備了 35 bit的parallel輸入／輸出（I/O）端子。在Master端,將欲傳送的資料輸入至這些parallel I/O 端子,例如12 bit的影像訊號或低速控制訊號等。接著,內建的Serializer（8B10B 編碼電路）會自動將輸入的資料序列化,並透過一組差動線路進行傳輸。
另一方面,在Slave端,接收到的訊號會由Deserializer（8B10B解碼電路）自動還原成原始資料,再分離成影像訊號、控制訊號等,並透過parallel I/O 端子輸出。
也就是說使用者需要進行的工作,基本上只有設定端子而已,完全不需要進行任何軟體開發。
而且所需使用的元件只有分別安裝在Master端與Slave端電路板上的兩顆Transceiver IC,不需要其他 IC。
除此之外,THine Electronics之所以說「可廣泛應用且易於使用」,還有其他原因。那就是非常容易實現無線通訊化或光通訊化。只要在Master端的Transceiver IC 後方,以及Receiver的Transceiver IC 前方連接光收發器模組,就可以實現光通訊。例如,只要連接短距離無線裝置,就能簡單地滿足「希望建構能與可拆卸模組進行資料通訊的系統」、「希望建構透過無線化大幅降低維護工時的系統」等需求。
環狀網路建構的探討
如果使用Transceiver IC「THCS251」,就能極為簡單地實現連接兩個節點的高速資料傳輸,也就是「點對點（Peer to Peer）連接」。例如,若使用 THCS251 將連接電腦的Master board,以及搭載攝影機機器人的Slave board進行點對點連接,就能實現一邊在電腦上觀看攝影機拍攝的影像,一邊控制機器人的應用。
然而使用這款Transceiver IC 所能實現的通訊（網路）架構,並不只有點對點連接。事實上,也可以建構環狀網路。THine已經完成開發一套由1 塊Master board與 5 塊Slave board所組成的環狀網路（圖 2）。
環狀網路的具體建構方法如下。Master board與Slave board上各搭載一顆Transceiver IC。從Master board輸出的資料,會像接力賽傳遞接力棒一樣,依序通過 5 塊Slave board,最後再返回Master board。在各個Slave board上,所搭載的Transceiver IC 會將接收到的資料,從parallel I/O 端子輸出至電路板;同時,再將該資料重新輸入parallel I/O 端子,並傳送至相鄰的Slave board,就這樣建構出環狀網路。
這裡可能有人會對Master board與Slave board板之間的差異感到疑惑。實際上,Master board與Slave board上都搭載了Transceiver IC,這一點兩者並沒有差異。差別在於clock訊號。
THCS251除了可以由外部提供的clock訊號驅動之外,也可以由 IC 內部整合的振盪器所產生的clock訊號驅動。在所開發的環狀網路中,採用的是以內部clock訊號驅動的方式,並將Master board的Transceiver IC 所產生的內部clock訊號分配至各個Slave board。也就是說,搭載能在內部產生clock訊號的Transceiver IC 的電路板就是Master端,而接收並分配該clock訊號的電路板則是Slave端。
然而使用這款Transceiver IC 所能實現的通訊（網路）架構,並不只有點對點連接。事實上,也可以建構環狀網路。THine已經完成開發一套由1 塊Master board與 5 塊Slave board所組成的環狀網路（圖 2）。
圖2 環狀網路的構成
環狀網路的具體建構方法如下。Master board與Slave board上各搭載一顆Transceiver IC。從Master board輸出的資料,會像接力賽傳遞接力棒一樣,依序通過 5 塊Slave board,最後再返回Master board。在各個Slave board上,所搭載的Transceiver IC 會將接收到的資料,從parallel I/O 端子輸出至電路板;同時,再將該資料重新輸入parallel I/O 端子,並傳送至相鄰的Slave board,就這樣建構出環狀網路。
這裡可能有人會對Master board與Slave board板之間的差異感到疑惑。實際上,Master board與Slave board上都搭載了Transceiver IC,這一點兩者並沒有差異。差別在於clock訊號。
THCS251除了可以由外部提供的clock訊號驅動之外,也可以由 IC 內部整合的振盪器所產生的clock訊號驅動。在所開發的環狀網路中,採用的是以內部clock訊號驅動的方式,並將Master board的Transceiver IC 所產生的內部clock訊號分配至各個Slave board。也就是說,搭載能在內部產生clock訊號的Transceiver IC 的電路板就是Master端,而接收並分配該clock訊號的電路板則是Slave端。
最多可連接8個Slave
環狀網路的傳輸距離最長約可達5m,而可連接的Slave board數量最多約可達8塊。
之所以會產生這些限制,原因在於clock訊號。也就是說,在各個Slave board的Transceiver IC 中反覆進行Serialization 、Deserialization等處理的過程中,clock訊號的抖動（Jitter）成分會逐漸累積。這會限制傳輸距離以及可連接的Slave board數量。
因此,如果利用能夠消除抖動成分的Clock Cleaning功能,就能大幅延長傳輸距離。然而,這次採用的Transceiver IC 並未搭載Clock Cleaning功能。
開發的環狀網路是以 20MHz 的內部clock訊號驅動。由於在向相鄰電路板傳輸資料時,位元寬度為18bit,因此實際傳輸速度為20MHz × 18 bit= 360Mbit／秒。各電路板之間只需使用 microUSB 連接器與一條 USB 線纜即可連接。由於USB線纜內包含一組差動線路、電源線以及接地線,因此Slave board不需要另外從外部供電。
至於實際傳輸速度,也可以透過選擇最高 80MHz 的內部clock頻率,或利用外部clock訊號以最高133.3MHz運作,進一步提高傳輸速度。然而在這種情況下,不僅在纜線與連接器的選擇上需要進行技術性的考量,同時也會因為前述的抖動累積等原因,對可連接的Slave board最大數量產生限制。這一點也是現行Transceiver IC 所面臨的課題。
之所以會產生這些限制,原因在於clock訊號。也就是說,在各個Slave board的Transceiver IC 中反覆進行Serialization 、Deserialization等處理的過程中,clock訊號的抖動（Jitter）成分會逐漸累積。這會限制傳輸距離以及可連接的Slave board數量。
因此,如果利用能夠消除抖動成分的Clock Cleaning功能,就能大幅延長傳輸距離。然而,這次採用的Transceiver IC 並未搭載Clock Cleaning功能。
開發的環狀網路是以 20MHz 的內部clock訊號驅動。由於在向相鄰電路板傳輸資料時,位元寬度為18bit,因此實際傳輸速度為20MHz × 18 bit= 360Mbit／秒。各電路板之間只需使用 microUSB 連接器與一條 USB 線纜即可連接。由於USB線纜內包含一組差動線路、電源線以及接地線,因此Slave board不需要另外從外部供電。
至於實際傳輸速度,也可以透過選擇最高 80MHz 的內部clock頻率,或利用外部clock訊號以最高133.3MHz運作,進一步提高傳輸速度。然而在這種情況下,不僅在纜線與連接器的選擇上需要進行技術性的考量,同時也會因為前述的抖動累積等原因,對可連接的Slave board最大數量產生限制。這一點也是現行Transceiver IC 所面臨的課題。
透過順時針與逆時針方向提升容錯性
這個環狀網路可以有哪些應用方式呢？以下將以THine所展示的示範為例進行說明（圖3）。
圖3 環狀網路的外觀
輸入資料端的裝置,準備了搖桿、磁性感測器以及光電斷路器（Photo Interrupter）,而資料輸出端,則使用了 LED。例如,操作安裝在Master board上的搖桿時,安裝在5塊Slave board上的 LED 會同時亮起,以顯示搖桿的操作方向。當將磁鐵靠近安裝在Slave board 1 上的磁性感測器時,Master board上所安裝的 LED 會亮起,以表示偵測到磁鐵的結果。
如此一來,就可以不論是Master端還是Slave端都能輸入資料,並將該資料輸出至需要這些資料的電路板。此外,本次示範中只準備了順時針方向的環狀網路,但如果再加入逆時針方向的環狀網路,就能提高冗餘性,進而提升網路的可靠性。
具體的應用方面,主要設想是工業用網路。當然,作為監控／控制整個工廠或整條生產線的網路,CC-Link、EtherCAT、PROFINET 等Fieldbus已經廣泛普及。不過,完全沒有要與這些網路技術競爭的想法。THine所設想的是,比這些Fieldbus低一個階層的工業用網路。例如,工廠等場所所設置的可程式邏輯控制器（PLC）,其控制盤內部的配線就是其中一個應用。
這些設備內部使用了大量的配線,因此不少情況下會顯得相當繁雜。如果在這裡導入這款Transceiver IC 的環狀網路,應該就能大幅簡化這些配線,使整體更加簡潔。
圖3 環狀網路的外觀輸入資料端的裝置,準備了搖桿、磁性感測器以及光電斷路器（Photo Interrupter）,而資料輸出端,則使用了 LED。例如,操作安裝在Master board上的搖桿時,安裝在5塊Slave board上的 LED 會同時亮起,以顯示搖桿的操作方向。當將磁鐵靠近安裝在Slave board 1 上的磁性感測器時,Master board上所安裝的 LED 會亮起,以表示偵測到磁鐵的結果。
如此一來,就可以不論是Master端還是Slave端都能輸入資料,並將該資料輸出至需要這些資料的電路板。此外,本次示範中只準備了順時針方向的環狀網路,但如果再加入逆時針方向的環狀網路,就能提高冗餘性,進而提升網路的可靠性。
具體的應用方面,主要設想是工業用網路。當然,作為監控／控制整個工廠或整條生產線的網路,CC-Link、EtherCAT、PROFINET 等Fieldbus已經廣泛普及。不過,完全沒有要與這些網路技術競爭的想法。THine所設想的是,比這些Fieldbus低一個階層的工業用網路。例如,工廠等場所所設置的可程式邏輯控制器（PLC）,其控制盤內部的配線就是其中一個應用。
這些設備內部使用了大量的配線,因此不少情況下會顯得相當繁雜。如果在這裡導入這款Transceiver IC 的環狀網路,應該就能大幅簡化這些配線,使整體更加簡潔。
聽取使用者的意見,朝功能最佳化邁進
不過,這次開發的環狀網路確實仍存在一些課題。這是因為原本針對點對點傳輸所開發的Transceiver IC,被半強制地套用到環狀網路上。因此,無論如何都還無法針對環狀網路進行最佳化,而這部分也就成為目前尚待解決的課題。
現階段的課題大致可以分為三項。
第一個課題是,無法依需求適時切換傳送資料的電路板。
如前述的示範,目前只能將資料傳送至事先決定好的電路板。也就是目前還無法實現像是「某個時間點將資料傳送至Slave board 0,下一個時間點再切換至Slave board 1傳送資料」這樣的運作方式。
第二個課題是,在Slave board上,由於必須經過「先將接收到的訊號從parallel I/O 端子取出,再重新輸入parallel I/O 端子後進行傳送」這樣的程序,因此會浪費parallel I/O 端子的使用空間。也因此,能夠收發的資料量（bit數）會減少。
第三個課題是,前文已經提到,由於Transceiver IC 沒有搭載抖動（Jitter）清理功能,因此可傳輸的距離以及可連接的Slave board數量都會受到限制。這可能導致其應用範圍受到限制。
這裡所列出的課題都是重要的因素,也是必須加以解決的問題。如果可以克服這些挑戰,相信就能作為一款不受控制端與被控制端之間位置關係限制,實現Location-Free資料傳輸系統用的Transceiver IC。
今後,THine將著手研究最適合環狀網路的Transceiver IC 網路架構與功能,以及parallel I/O 端子數量等相關事項。透過廣泛蒐集潛在使用者的意見,最佳化面向環狀網路的Transceiver IC 性能與功能,並希望能夠盡早協助解決使用者所面臨的課題與困擾。
以上
現階段的課題大致可以分為三項。
第一個課題是,無法依需求適時切換傳送資料的電路板。
如前述的示範,目前只能將資料傳送至事先決定好的電路板。也就是目前還無法實現像是「某個時間點將資料傳送至Slave board 0,下一個時間點再切換至Slave board 1傳送資料」這樣的運作方式。
第二個課題是,在Slave board上,由於必須經過「先將接收到的訊號從parallel I/O 端子取出,再重新輸入parallel I/O 端子後進行傳送」這樣的程序,因此會浪費parallel I/O 端子的使用空間。也因此,能夠收發的資料量（bit數）會減少。
第三個課題是,前文已經提到,由於Transceiver IC 沒有搭載抖動（Jitter）清理功能,因此可傳輸的距離以及可連接的Slave board數量都會受到限制。這可能導致其應用範圍受到限制。
這裡所列出的課題都是重要的因素,也是必須加以解決的問題。如果可以克服這些挑戰,相信就能作為一款不受控制端與被控制端之間位置關係限制,實現Location-Free資料傳輸系統用的Transceiver IC。
今後,THine將著手研究最適合環狀網路的Transceiver IC 網路架構與功能,以及parallel I/O 端子數量等相關事項。透過廣泛蒐集潛在使用者的意見,最佳化面向環狀網路的Transceiver IC 性能與功能,並希望能夠盡早協助解決使用者所面臨的課題與困擾。
以上