隨著物聯網 (IoT)、大數據 (Big Data) 和機器智慧 (Machine Intelligence) 的技術發展對製造和自動化等產業提出了更高的要求，資料及其價值在資訊科技 (IT) 和營運技術 (OT) 效率方面持續發生重大轉變。在這個轉型時代，也就是所謂的「工業 4.0」，越來越多的裝置連接到機器，這對運算系統造成了巨大的壓力，要求其在特定功能和工作負載性能方面實現多功能性。
例如，工業電腦現在充當平台，用於在本地或邊緣層面進行更緊密的工作負載整合和融合。換句話說，工業運算系統現在需要能夠管理各種資料輸入，這些輸入能夠來回傳輸有價值資訊，以實現即時決策。因此，工業電腦需要支援各種傳統和新的輸入輸出 (I/O) 埠，以實現更強大的運算操作。本文將解釋當今工業運算部署中使用的一些最受歡迎的 I/O 埠。
工業運算和工廠自動化工作負載的常用 I/O 埠
序列埠 
對於工業電腦與其他裝置進行通訊，序列埠是最常見的傳統埠。序列埠標準是在 1960 年代提出，至今已將近 60 年，仍在使用中。這證明了序列埠設計的精良及其資料傳輸的可靠性和品質。序列埠的主要限制是其資料速率，最高約為 115,200 位元/秒。
RS-232/422/485
對於傳統序列埠，它可以根據所連接的應用程式和裝置，配置為三種不同的模式：RS-232/422/485。
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RS-232：在此模式下，埠以單點對點拓撲運作：只能連接一個裝置。這通常用於數據機、滑鼠或鍵盤。電纜最大長度為 15 公尺，最大操作速度為 9,600 鮑率。由於其單端資料傳輸，該埠也容易受到傳輸雜訊和資料錯誤的影響。
- RS-422：此模式與 RS-232 相似，但有幾個優點。電纜最大長度可達 1,200 公尺。此外，它可以以單主機、多從機模式運作。這允許埠將資料傳輸到最多 10 個不同的裝置。此模式還提供了比 RS-232 更好的抗傳輸雜訊能力，因為它使用獨立的線對進行資料發送/接收，並以差分資料傳輸模式運作。
- RS-485：此模式擴展了 RS-422 的功能。它提供了真正的多點拓撲，而不是 RS-232/422 的單點對點。這使得最大連接裝置數量可達 32 個，但限制是同時只能有一個裝置進行傳輸。
USB 埠 
USB 於 1995 年推出，旨在取代老舊的序列埠，現已成為消費和工業市場中大多數裝置或感測器的實際標準埠。隨著對更高頻寬的需求增加，現代物聯網感測器，例如視訊攝影機和指紋辨識器，無法與傳統序列埠配合使用；這類裝置需要的頻寬遠高於 115.2 位元/秒。對於大多數工業系統而言，傳統序列埠和更現代的 USB 埠之間需要取得良好的平衡。根據應用程式和環境，系統可能需要同時具備這兩種埠。系統上的傳統序列埠可用於連接較舊的自動化裝置或感測器，而現代高解析度攝影機則可連接到 USB 埠。除了 USB 埠的高速和靈活性之外，它還能對連接的 USB 裝置進行智慧電源管理，這是傳統序列埠所缺乏的功能。此電源管理功能使系統能夠讓不使用的裝置進入睡眠狀態以節省電源，並在需要時立即喚醒它們。如果連接了多個 USB 裝置，這有助於降低系統的整體功耗。
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USB 版本 |
發布日期 |
低速傳輸速率 |
高速傳輸速率 |
最大電纜長度 |
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1.0 |
1996 年 1 月 |
1.5 Mbit/s |
12 Mbit/s |
16 英尺 |
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1.1 |
1998 年 9 月 |
1.5 Mbit/s |
12 Mbit/s |
16 英尺 |
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2.0 |
2000 年 10 月 |
60 Mbit/s |
480 Mbit/s |
16 英尺 |
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3.0 |
2008 年 11 月 |
60 MB/s |
5 Gbit/s |
9 英尺 |
| 3.2 Gen 2 | 2017 年 9 月 | 不適用 | 10 Gbit/s | 不適用 |
隨著現代裝置對速度的要求越來越高，序列埠的繼承者於 1995 年以通用序列匯流排 (USB) 的形式推出。USB 的設計從頭開始解決了傳統序列埠的主要限制：
- 速度：USB 1.0 的資料速率為 12 Mb/秒，遠高於 115.2 位元/秒。USB 版本的每次迭代都將速度提高了幾個數量級，到 2020 年，速度將達到 40 Gb/秒。
- 多裝置：傳統序列埠主要是一對一裝置設計。這將需要多個埠才能連接常見的外設，例如鍵盤或滑鼠。USB 被設計成一個智慧型序列協定，可以在一個埠上處理和列舉多達 128 個裝置。
USB 3.2 Gen 2 / SuperSpeed USB 10 Gbps
USB 3.2 Gen 2，前身為 USB 3.1，提供高達 10 Gbps (1) 的速度，是 USB 3.0 最大傳輸速率的兩倍。為避免混淆，USB 3.2 Gen 2 通常稱為「SuperSpeed USB 10 Gbps」。此規範顯著提升了性能，以滿足儲存和顯示應用程式的運算要求。透過利用 USB 基礎設施，新的規範與現有的 USB 產品相容，可在裝置之間實現更快、可靠且方便的資料傳輸。
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即使有了 USB 埠的出現，傳統序列埠仍然存在於現代工業系統中。這是因為工廠中仍在使用大量傳統序列裝置。這些裝置數十年來的使用證明了傳統序列埠的可靠性。對於用於控制生產線或自動化的裝置，可靠性和正常運行時間往往比原始傳輸速度或連接多個裝置的能力更重要。
視訊顯示埠 
VGA
最初的顯示埠由 IBM 於 1987 年為其 PS/2 系統設計；稱為 VGA (視訊圖形陣列) 埠，此視訊介面在 32 年後仍在使用。VGA 設計用於使用類比訊號而非數位訊號。VGA 埠的主要限制是其最大解析度，並且它不是設計為可熱插拔的（儘管在實踐中可以做到，但可能會損壞埠和監視器）。
DVI
數位視訊介面 (DVI) 於 1999 年發布，是旨在取代 VGA 埠的顯示介面。DVI 純粹基於數位訊號，以克服 VGA 埠的類比限制。DVI 可以根據所需的最大解析度和更新率，以兩種不同的模式運作：單鏈路或雙鏈路。單鏈路模式最高可達 2560x1600 @ 30Hz，而雙鏈路則可實現高達 3840 x 2400 @ 30Hz 的解析度，這是標準的 4K 解析度。
HDMI
高解析度多媒體介面 (HDMI) 於 2002 年發布，旨在透過各種增強功能取代 DVI。然而，一個重要的區別是，與 DVI 不同，HDMI 不是開放標準；它是一種專有介面，使用時需支付授權費。HDMI 最初是為消費電視機設計的，因此它能夠同時傳輸視訊和音訊，這是 DVI 介面所沒有的。HDMI 設計時考慮到未來的最大解析度和更新率。目前的 HDMI 2.x 版本最高可支援 8K (7680 x 4320 @ 120Hz)。為了安全和內容保護，HDMI 可以使用 HDCP (高頻寬數位內容保護) 來加密其訊號。
DP
Display Port (DP) 於 2008 年發布，是一個由 VESA 支持的開放標準視訊/音訊介面。因此，DP 不會產生授權費用。與 HDMI 類似，DP 的設計宗旨是在資料速度、最大解析度和更新率方面具有可擴展性。DP 2.0 目前最高可達 10K (10240 x 4320 @ 60Hz)。此外，DP 還支援增強/虛擬實境 (AR/VR) 裝置，例如頭戴式裝置或眼鏡。
區域網路 (LAN) 和乙太網路供電 (PoE) 
對於高速有線連接，標準 RJ45 LAN 埠在工業和嵌入式運算中很常見；但通常需要設置和穩固的網路佈局來佈設實體電纜。LAN 埠的速度可以從 10/100Mbps 到使用標準銅纜的 10Gbps，最大電纜長度為 100m。
10GbE
利用 10GbE 的網路以每秒 10 千兆位元的速度傳輸乙太網路幀——比更常見的 GbE 連接快十倍。10GbE 與物聯網技術的性能進步保持同步，以更好地支援利用高速儲存和 I/O 的應用程式。現有的 Cat 5e、Cat-6、Cat 6a 或專用 Cat-7 電纜支援 10GbE 傳輸（根據距離和所需的頻寬而定），無需重新佈線。10GbE 的相對簡單性和速度讓邊緣電腦能夠立即將大量快速獲取和處理的資料卸載到企業網路中，為操作員和自動化網路系統提供即時洞察，從而做出正確的決策。
PoE
標準 LAN 埠僅提供資料傳輸。但在某些應用場景（例如視訊安全或監控）中，為多個 IoT 裝置或攝影機供電是可取的。這項技術稱為「乙太網路供電」或簡稱 PoE。
為此，制定了一項國際標準，以幫助PoE技術整合商遵守某些規範。這允許LAN埠使用相同的銅纜提供數據和電源，無需捆綁多條電纜。PoE的主要優勢在於無需電源插座，這在遠端或移動應用中是不可行的。例如，在公共交通或智慧城市應用中，支援PoE的安全攝影機得益於方便的維護和安裝；這是因為單一電纜可以高效地提供數據和電源。
讓我們了解更多技術細節——了解更多關於乙太網供電(PoE)技術及其行業協議規範、PoE的4個主要優點以及PoE的部署用例
DIO 和 GPIO 端口 
數位I/O或通用I/O是電氣設備或感測器的端口，這些設備或感測器沒有傳統串列或USB埠等通用介面。這些設備可以是警報感測器、運動檢測器或生產線自動化控制器。透過將這些設備連接到系統的DIO埠，設備動作或觸發器即可由軟體控制。例如，警報感測器連接到DIO的輸入埠，而警報器則連接到DIO的相應輸出埠。然後可以對軟體應用程式進行編程，以檢測輸入埠的狀態變化（警報感測器被觸發），並使輸出埠改變狀態以觸發警報器發出警報。
系統通常配備4個、8個或更多DIO埠。透過多個輸入/輸出埠，系統將能夠根據不同的觸發事件與現實世界進行互動。然後可以對應用程式進行編程，使其從多個輸入埠觸發，並在輸出埠上執行一系列相關操作。以上述警報為例，透過多個輸出埠，我們可以編程系統不僅在警報觸發時發出警報，還可以同時呼叫保全並關閉所有門。為了幫助嵌入式系統開發人員根據DIO埠編寫其應用程式，我們提供了涵蓋Windows和Linux作業系統的範例程式碼包，使程式設計師可以輕鬆存取DIO埠。
M12 連接器 
工業電腦上的標準連接器，例如網路、串列或USB，並非設計用於汽車廠或食品加工設施等惡劣環境。對於這些惡劣環境，需要堅固、可靠且強化的連接器，以確保工業電腦與終端設備之間的連接不會中斷。M12連接器於1985年為此目的而設計；M12連接器是一種圓形連接器，帶有12毫米鎖緊螺紋。除了內置的鎖緊機制外，M12連接器還具有IP65、IP68或更高等級的防水和防塵保護，適用於沖洗和腐蝕性環境。這些連接器有多種引腳數可供選擇：3、4、5、8和12。最常用的引腳配置是8引腳M12連接器，可用於千兆乙太網LAN/PoE、傳統串列或USB 2.0埠。
常見應用及其引腳數：
- 感測器和電源：需要3和4引腳
- Profinet和乙太網：需要4和8引腳
- Fieldbus、CANbus和DeviceNet：需要4和5引腳
- 信號完整性：12引腳
M12連接器的編碼可防止工業電腦I/O與連接設備之間的錯誤配對。A、B、D和X碼引腳（見下文）在工業計算中最常見和流行。但隨著數位轉型對高速乙太網更快數據傳輸的需求，用於10Gbit乙太網的X碼引腳最終將取代用於乙太網的A和D碼引腳。
M12工業電腦編碼選項：
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A碼用於感測器、直流電源和1 Gbit乙太網
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B碼用於Profibus
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C碼用於交流電源
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D碼用於100 Mbit乙太網
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X碼用於10 Gbit乙太網
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S碼用於交流電源（最終將取代C碼電源部件）
- T碼用於直流電源（最終將取代A碼電源部件）
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參考文獻：