现场设备的本质安全、网络安全与功能安全

笔者此前曾撰文探讨工业功能安全、本质安全（防爆）及工业网络安全，现将介绍一款集此三者于一体的新参考设计。

曾有人质疑能否在向现场设备提供500mW功率的同时满足本质安全要求。随着ADI发布“完整Ethernet-APL现场设备平台”参考设计，且已完成Bureau Veritas的本质安全审查，审查结果表明其适用于0区，这种疑虑有望消除。此处提到的参考设计，不仅指原理图和布局，用户还可直接购买评估套件并亲自测试。

图1：构成此参考设计的两块PCB

上图展示了构成此参考设计的两块PCB。对于不熟悉圆形PCB的读者，这里简单介绍一下，圆形PCB旨在适配过程工业中常见的DIN B外形规格，常用于温度变送器，直径为44mm。据笔者了解，它通过中心螺钉固定，可实现圆周均匀压缩，从而确保可靠密封。

图2：参考设计框图

此参考设计的主要特性包括：

• 按EX ia IIC Ga要求设计，并经 Bureau Veritas 认证
• 10Mbps以太网双线连接，同时传输信号和电力，支线连接距离可达200m
• 采用MAX32690 120MHz微控制器，为实现IEC 62443合规提供路径
• 采用经安全认证的半导体器件，为实现功能安全认证提供路径
• 已通过Ethernet-APL合规性测试

上述特性均得益于符合Ethernet-APL 2-WISE标准的连接，以本质安全方式提供长距离传输及供电能力，详见IEC TS 63444和IEC TS 60079-47标准。

图3：摘自IEC TS 63444表8中的本质安全防护等级

A类功率保证最低输出为540mW、9V及55.56mA，详见IEC TS 63444表5。

借助Ethernet-APL，电力和以太网信号在同一对双绞线上传输，支线长度可达200m，在性能上可与传统4/20mA连接媲美，同时具备现代高速双向接口的优势。

图4：符合IEC 63444标准的以太网APL干线及支线连接图

在本质安全设计中，二极管（包括信号二极管、齐纳二极管及整流桥）和电阻器承担了关键防护作用。而LT8440（为满足EX ia要求采用三重化设计）则负责所有Ethernet-APL电源调理。LT8440的输出端为系统其余部分提供高达500mW的限能电源。

图5：本质安全认证摘录

以太网连接由ADIN1100工业级以太网芯片提供，在输入端串联三个电容以满足本质安全要求。

在500mW可用功率下，可实现完整的120MHz ARM Cortex-M4系统，并包含AES-128/192/256/SHA-2引擎、PUF（物理不可克隆函数）、真随机数生成器及安全密钥存储等网络安全特性。谁说现场层（Level 0）设备无法实现网络安全！

尽管此参考设计的首要目标是本质安全，但也充分考虑了如何满足SIL 2低需求模式的要求。它的主要功能是现场温度测量，可采用针对二线制、三线制或四线制RTD连接优化的ADFS7124 ADC实现。在功能安全方面，ADFS7124已获TÜV莱茵认证，适用于系统能力要求最高达SC3等级的应用。此举确保了测量数据的安全采集。

MAX42500额定应用等级达SIL 3（经TÜV北德认证），并通过七个高精度窗口式电源监控器来监测板载电源电压。此外，它内置了窗口式看门狗定时器，具有质询/响应模式，这意味着MAX32690不仅要“喂狗”，还必须能够执行CRC运算。若决定使用STL（软件测试库）实现对MAX32690的诊断覆盖，这一特性尤为重要。

就处理器而言，MAX32690的功能安全性可通过IEC 61508-2:2010表F.1“检查清单”予以验证，用于表明在半导体设计阶段已采取所有必要的SIL 2设计措施。即便符合附录F检查清单，它仍属于0类半导体（IEC 61508第3版新术语），因此在使用片内诊断检测片内故障方面存在限制，可能需要借助STL才能达到SIL 2等级。

安全通信将依据IEC 61784-3标准，在MAX32690上采用黑通道架构实现，并使用ProfiSAFE等兼容协议。

单芯片温度传感器MAX6613提供了额外的功能安全防护，指定的工作温度范围为-55°C至130°C。

在后续博客中，笔者可能会从技术层面更深入地探讨此项设计的关键要素。本文仅作概览性介绍。目前，读者可点击此处获取此项设计的所有原理图及代码。