隨著物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)和機器智能的技術(shù)進步對制造業(yè)和自動化等行業(yè)提出了更高的要求，數(shù)據(jù)及其價值在信息技術(shù)（IT）和運營技術(shù)（OT） 效率方面的變化仍在不斷發(fā)生重大變化 。在這個轉(zhuǎn)型時代或所謂的“工業(yè)4.0”時代，越來越多的設(shè)備連接到機器。這給計算系統(tǒng)帶來了巨大的壓力，使其在特定功能和工作負載性能方面變得通用。

例如，工業(yè)計算機現(xiàn)在充當平臺，用于在本地或邊緣級別進行更緊密的工作負載合并和融合。換句話說，工業(yè)計算系統(tǒng)現(xiàn)在需要能夠管理各種數(shù)據(jù)輸入，這些數(shù)據(jù)來回傳輸有價值的信息以進行實時決策。因此，工業(yè)計算機需要支持各種舊式和新式輸入輸出（I ／ O）端口，以實現(xiàn)更強大的計算操作。本文將解釋當今工業(yè)計算部署中使用的一些最受歡迎的I ／ O端口。

串行端口

為了使工業(yè)計算機能夠與其他設(shè)備通信，串行端口是最常用的傳統(tǒng)端口。串行端口標準可以追溯到1960年代，并且在將近60年后的今天仍在使用。這證明了串行端口的設(shè)計水平以及其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院唾|(zhì)量。串行端口的主要限制是其數(shù)據(jù)速率，最高約為115，200位／秒。

RS－232 ／ 422／485

對于舊版串行端口，可以將其配置為以三種不同的模式運行：RS－232 ／ 422／485，具體取決于應(yīng)用程序和與其連接的設(shè)備。

RS－232：在此模式下，端口以單點對點拓撲操作：只能連接一個設(shè)備。通常用于調(diào)制解調(diào)器，鼠標或鍵盤。電纜的最大長度為15m，最大運行速度為9，600波特。由于其單端數(shù)據(jù)傳輸，該端口還容易受到傳輸噪聲和數(shù)據(jù)錯誤的影響。

RS－422：此模式類似于RS－232，但有一些優(yōu)點。最大電纜長度可達1200m。而且，它可以在單主機，多從機模式下運行。這允許端口最多將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?0個不同的設(shè)備。與RS－232相比，此模式還具有更好的抗傳輸噪聲能力，因為它使用分開的導(dǎo)線對發(fā)送／接收數(shù)據(jù)并以差分數(shù)據(jù)傳輸模式工作。

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。這樣一來，最大連接的設(shè)備數(shù)可以增加到32個，但有一個限制，一次只能發(fā)送一個設(shè)備。

USB端口

USB于1995年被認為是老化的串行端口的替代品，USB已成為消費和工業(yè)市場上使用的大多數(shù)設(shè)備或傳感器的事實上的標準端口。隨著對更大帶寬的需求增加， 傳統(tǒng)的串行端口無法實現(xiàn) 視覺攝像頭和指紋讀取 器等現(xiàn)代 物聯(lián)網(wǎng)傳感器；這些類型的設(shè)備需要的帶寬遠遠高于115．2 b ／ sec。對于大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)串行端口的數(shù)量與較新的USB端口之間可以達到很好的平衡。根據(jù) 上 在應(yīng)用程序和環(huán)境中，系統(tǒng)可能需要同時存在兩個端口。系統(tǒng)上的舊版串行端口可用于連接到較舊的自動化設(shè)備或傳感器，而現(xiàn)代高分辨率相機則可連接至USB端口。 除了USB端口的 更高的速度和靈活性，它也使智能電源管理連接的USB設(shè)備，缺乏傳統(tǒng)的串行端口上的特性。此電源管理功能使系統(tǒng)可以使不使用的設(shè)備進入睡眠狀態(tài)以接通電源，并在需要設(shè)備時立即將它們喚醒。如果有多個USB設(shè)備連接到系統(tǒng)，則可以幫助降低系統(tǒng)的總體功耗。

由于現(xiàn)代設(shè)備需要更高的速度，因此串行端口的后繼產(chǎn)品于1995年作為通用串行總線或USB推出。USB的設(shè)計完全是為了解決傳統(tǒng)串行端口的這些主要限制而設(shè)計的：

速度： USB 1．0以12 Mb ／秒的數(shù)據(jù)速率啟動，遠大于115．2 b ／ s。USB版本的每次迭代都會將速度提高一個數(shù)量級，到2020年，速度將達到40 Gb ／ s。

多個設(shè)備：傳統(tǒng)串行端口主要是一對一的端口設(shè)計。這將需要多個端口才能連接常見的外圍設(shè)備，例如鍵盤或鼠標。USB被設(shè)計為一種智能串行協(xié)議，可以在一個端口上處理和枚舉多達128個設(shè)備。

USB 3．2 Gen 2 ／超高速USB 10 Gbps

USB 3．2 Gen 2（以前稱為USB 3．1）的速度高達10 Gbps（1），是USB 3．0的最大傳輸速率的兩倍。為避免混淆，USB 3．2 Gen 2通常被稱為“ SuperSpeed USB 10 Gbps”。該規(guī)范可顯著提高性能，以滿足存儲和顯示應(yīng)用程序的計算要求。通過利用USB基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，新規(guī)范與現(xiàn)有USB產(chǎn)品兼容，從而允許在設(shè)備之間更快，可靠和方便地進行數(shù)據(jù)傳輸。

即使USB端口問世，傳統(tǒng)的串行端口在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中仍然存在。這是由于工廠中仍在使用舊版串行設(shè)備的緣故。這些設(shè)備的數(shù)十年使用經(jīng)驗證明了傳統(tǒng)串行端口的可靠性。對于用于控制生產(chǎn)線或自動化的設(shè)備，可靠性和正常運行時間通常比原始傳輸速度或連接多個設(shè)備的能力重要。

視頻顯示端口

顯卡

最初的顯示端口是由IBM在1987年設(shè)計的，用于其PS ／ 2系統(tǒng)。被稱為VGA（視頻圖形陣列）端口的視頻接口在32年后仍在使用。VGA設(shè)計為使用模擬信號而不是數(shù)字信號。VGA端口的主要限制是其最大分辨率，并且其設(shè)計不是可熱插拔的（即使實際上可以做到這一點，也可能會損壞端口和顯示器）。?

DVI

1999年發(fā)布的數(shù)字視頻接口（DVI）是旨在取代VGA端口的顯示接口。DVI僅基于數(shù)字信號，以超出VGA端口的模擬極限。DVI可以兩種不同的模式運行，具體取決于所需的最大分辨率和刷新率：單鏈路或雙鏈路。單鏈路模式最高可以達到2560x1600 ＠ 30Hz，而雙鏈路模式則可以達到3840 x 2400 ＠ 30Hz，這是標準的4K分辨率。

HDMI接口

2002年發(fā)布的高清多媒體接口（HDMI）旨在以各種增強功能代替DVI。但是，一個重要的區(qū)別是，與DVI不同，HDMI不是開放標準。它是一個專有接口，并附帶與其使用相關(guān)的許可費。HDMI最初是為消費電視設(shè)計的，因此它可以同時進行視頻和音頻傳輸，而這是DVI接口所缺少的。HDMI旨在為將來的發(fā)展提供最大的分辨率和刷新率。當前的HDMI 2．x版本可以擴展到8K（7680 x 4320 ＠ 120Hz）。為了安全和內(nèi)容保護，HDMI可以使用HDCP（高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護）來加密其信號。

DP

顯示端口（DP）于2008年發(fā)布，是VESA支持的開放標準視頻／音頻接口。因此，沒有與DP相關(guān)的許可費。與HDMI類似，DP被設(shè)計為可在數(shù)據(jù)速度，最大分辨率和刷新率方面進行擴展。DP 2．0當前可以達到10K（10240 x 4320 ＠ 60Hz）。此外，DP附帶了對增強／虛擬現(xiàn)實（AR ／ VR）設(shè)備（如耳機或眼鏡）的支持。

局域網(wǎng)（LAN）和以太網(wǎng)供電（PoE）

對于高速有線連接，標準的RJ45 LAN端口是工業(yè)和嵌入式計算常用的。但通常需要設(shè)置和可靠的網(wǎng)絡(luò)布局來布線物理電纜。使用標準銅纜，LAN端口的速度范圍可以從10 ／ 100Mbps或高達10Gbps，最大電纜長度為100m。

10GbE

利用10GbE的網(wǎng)絡(luò)以每秒10吉比特的速度傳輸以太網(wǎng)幀，是更常見的GbE連接速度的十倍。10GbE與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的性能進步保持同步，以更好地支持利用高速存儲和I ／ O的應(yīng)用程序。現(xiàn)有的Cat 5e，Cat－6，Cat 6a或?qū)Ｓ玫腃at－7電纜支持10GbE傳輸（取決于距離和所需的帶寬），而無需重新布線。10GbE的相對簡單性和速度使邊緣計算機可以立即將大量快速采集和處理的數(shù)據(jù)卸載到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)上，從而為運營商和自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供實時見解，從而做出正確的決策。

PoE供電

標準LAN端口僅提供數(shù)據(jù)傳輸。但是在某些用例中，例如視頻安全性或監(jiān)視性，需要為多個IoT設(shè)備或攝像機提供電源。這項技術(shù)簡稱為“以太網(wǎng)供電”或PoE。

PoE的主要優(yōu)點是消除了電源插座，這在遠程或移動應(yīng)用程序中是不可用的。例如，在公共交通或智慧城市應(yīng)用中啟用PoE的安全攝像機可從易于維護和安裝中受益。這是由于一根電纜可以有效地提供數(shù)據(jù)和電源。

以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)及其行業(yè)協(xié)議規(guī)范，PoE的4個主要優(yōu)點以及PoE的部署用例

DIO和GPIO端口

數(shù)字I ／ O或通用I ／ O是用于電氣設(shè)備或傳感器的端口，這些端口沒有通用接口，例如舊版串行或USB端口。這些設(shè)備的范圍包括警報傳感器，運動檢測或生產(chǎn)線自動化控制器。通過將這些設(shè)備連接到系統(tǒng)的DIO端口，可以通過軟件控制設(shè)備的動作或觸發(fā)。例如，警報傳感器連接到DIO的輸入端口，而警報警報連接到DIO的相應(yīng)輸出端口。然后可以對軟件應(yīng)用程序進行編程，以檢測輸入端口的狀態(tài)更改（觸發(fā)警報傳感器），并使輸出端口更改狀態(tài)以觸發(fā)警報警報，從而發(fā)出警報。

系統(tǒng)通常帶有4個或8個或更多DIO端口。具有多個輸入／輸出端口，這將允許系統(tǒng)基于不同的觸發(fā)事件與現(xiàn)實世界進行交互。然后可以對應(yīng)用程序進行編程，以從多個輸入端口觸發(fā)輸出端口上的一系列相關(guān)操作。擴展上面的警報示例，使用多個輸出端口，我們不僅可以對系統(tǒng)進行編程，還可以在觸發(fā)警報時對警報進行編程，還可以調(diào)用安全功能并同時關(guān)閉所有門。為了幫助嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員基于DIO端口編寫其應(yīng)用程序，提供了一個涵蓋Windows和Linux OS的示例代碼包，以使程序員能夠輕松訪問DIO端口。

M12連接器

工業(yè)PC上的標準連接器（例如網(wǎng)絡(luò)，串行或USB）并非設(shè)計用于惡劣環(huán)境中，例如汽車廠或食品加工廠。對于這些惡劣的環(huán)境，需要一種堅固，可靠且堅固的連接器，以確保工業(yè)PC和終端設(shè)備之間的連接不會中斷。為此，M12連接器于1985年設(shè)計。M12連接器是具有12 mm鎖定螺紋的圓形連接器。除了內(nèi)置的鎖定機制外，M12連接器還具有IP65 ，IP68 或更高的防護等級，可在沖洗和腐蝕性環(huán)境中提供防水和防塵 保護 。這些連接器有3、4、5、8和12種不同的針數(shù)。最常用的針配置是8針M12連接器，可用于千兆以太網(wǎng)LAN ／ PoE，舊式串行或USB 2．0。端口。

常見應(yīng)用及其引腳數(shù)：

傳感器和電源：需要3和4針

Profinet和以太網(wǎng)：需要4和8針

現(xiàn)場總線，CANbus和DeviceNet：需要4和5針

信號完整性：12針

m12連接器的編碼可防止從計算機I ／ O正確連接到所連接的設(shè)備。A， B， D和X代碼引腳輸出（見下文）在工業(yè)計算中最為常見和流行。但是，由于數(shù)字轉(zhuǎn)換要求高速以太網(wǎng)傳輸更快的數(shù)據(jù) ， 因此10gbit以太網(wǎng)的x編碼引腳將最終取代以太網(wǎng)的A和D編碼引腳。

工業(yè)計算的M12編碼選項：

A編碼的傳感器，直流電源和1 Gbit以太網(wǎng)

B編碼為Profibus

C編碼的交流電源

D編碼的100 Mbit以太網(wǎng)

X編碼的10 Gb以太網(wǎng)

S編碼的交流電源（最終將取代C編碼的電源部件）

T編碼的直流電源（最終將取代A編碼的電源部件）

審核編輯 黃昊宇