【導讀】本文解析 ADI 全新完整 Ethernet-APL 現場設備平臺參考設計，該方案通過必維 Bureau Veritas 本質安全審查，滿足 EX ia IIC Ga 0 區防爆要求，在一對雙絞線上同時傳輸 10Mbps 以太網信號與最高 500mW 功率，支線最遠 200m。平臺搭載 MAX32690 MCU、ADIN1100 以太網芯片、ADFS7124 安全 ADC 等認證器件，一站式覆蓋本質防爆、SIL2 功能安全、IEC 62443 工業網絡安全三大工業安全需求，適配溫度變送器等過程現場儀表，支持直接采購評估套件實測驗證。
筆者此前曾撰文探討工業功能安全、本質安全（防爆）及工業網絡安全，現將介紹一款集此三者于一體的新參考設計。
曾有人質疑能否在向現場設備提供500mW功率的同時滿足本質安全要求。隨著ADI發布“完整Ethernet-APL現場設備平臺”參考設計，且已完成Bureau Veritas的本質安全審查，審查結果表明其適用于0區，這種疑慮有望消除。此處提到的參考設計，不僅指原理圖和布局，用戶還可直接購買評估套件并親自測試。
圖1：構成此參考設計的兩塊PCB
上圖展示了構成此參考設計的兩塊PCB。對于不熟悉圓形PCB的讀者，這里簡單介紹一下，圓形PCB旨在適配過程工業中常見的DIN B外形規格，常用于溫度變送器，直徑為44mm。據筆者了解，它通過中心螺釘固定，可實現圓周均勻壓縮，從而確保可靠密封。
圖2：參考設計框圖
此參考設計的主要特性包括：
按EX ia IIC Ga要求設計，并經 Bureau Veritas 認證
10Mbps以太網雙線連接，同時傳輸信號和電力，支線連接距離可達200m
采用MAX32690 120MHz微控制器，為實現IEC 62443合規提供路徑
采用經安全認證的半導體器件，為實現功能安全認證提供路徑
已通過Ethernet-APL合規性測試
上述特性均得益于符合Ethernet-APL 2-WISE標準的連接，以本質安全方式提供長距離傳輸及供電能力，詳見IEC TS 63444和IEC TS 60079-47標準。
圖3：摘自IEC TS 63444表8中的本質安全防護等級
A類功率保證最低輸出為540mW、9V及55.56mA，詳見IEC TS 63444表5。
借助Ethernet-APL，電力和以太網信號在同一對雙絞線上傳輸，支線長度可達200m，在性能上可與傳統4/20mA連接媲美，同時具備現代高速雙向接口的優勢。
圖4：符合IEC 63444標準的以太網APL干線及支線連接圖
在本質安全設計中，二極管（包括信號二極管、齊納二極管及整流橋）和電阻器承擔了關鍵防護作用。而LT8440（為滿足EX ia要求采用三重化設計）則負責所有Ethernet-APL電源調理。LT8440的輸出端為系統其余部分提供高達500mW的限能電源。
圖5：本質安全認證摘錄
以太網連接由ADIN1100工業級以太網芯片提供，在輸入端串聯三個電容以滿足本質安全要求。
在500mW可用功率下，可實現完整的120MHz ARM Cortex-M4系統，并包含AES-128/192/256/SHA-2引擎、PUF（物理不可克隆函數）、真隨機數生成器及安全密鑰存儲等網絡安全特性。誰說現場層（Level 0）設備無法實現網絡安全！
盡管此參考設計的首要目標是本質安全，但也充分考慮了如何滿足SIL 2低需求模式的要求。它的主要功能是現場溫度測量，可采用針對二線制、三線制或四線制RTD連接優化的ADFS7124 ADC實現。在功能安全方面，ADFS7124已獲TüV萊茵認證，適用于系統能力要求最高達SC3等級的應用。此舉確保了測量數據的安全采集。
MAX42500額定應用等級達SIL 3（經TüV北德認證），并通過七個高精度窗口式電源監控器來監測板載電源電壓。此外，它內置了窗口式看門狗定時器，具有質詢/響應模式，這意味著MAX32690不僅要“喂狗”，還必須能夠執行CRC運算。若決定使用STL（軟件測試庫）實現對MAX32690的診斷覆蓋，這一特性尤為重要。
就處理器而言，MAX32690的功能安全性可通過IEC 61508-2:2010表F.1“檢查清單”予以驗證，用于表明在半導體設計階段已采取所有必要的SIL 2設計措施。即便符合附錄F檢查清單，它仍屬于0類半導體（IEC 61508第3版新術語），因此在使用片內診斷檢測片內故障方面存在限制，可能需要借助STL才能達到SIL 2等級。
安全通信將依據IEC 61784-3標準，在MAX32690上采用黑通道架構實現，并使用ProfiSAFE等兼容協議。
單芯片溫度傳感器MAX6613提供了額外的功能安全防護，指定的工作溫度范圍為-55°C至130°C。
結論
這套 ADI Ethernet-APL 參考設計最大價值，是打破了業內對于 0 區本安環境下難以穩定供電、同時兼顧功能安全與網絡安全的顧慮。依托 Ethernet-APL 2-WISE 標準，在單雙絞線完成供電與高速以太網傳輸，替代傳統 4-20mA。方案選用一系列經過第三方安全認證的器件，把防爆、SIL2 功能安全、IEC62443 網絡安全整合在同一塊 DIN B 圓形儀表板上，還提供可直接上手測試的評估套件，大幅降低過程工業危險區域智能現場儀表的開發、認證門檻，是面向下一代總線型現場設備的成熟落地方案。
