面向工业现场设备的 OPC UA 服务器硬件实现

工业工厂因其通信基础设施中由专有技术的混杂所导致的高度复杂性和不兼容性而深受困扰。这阻碍了向工业 4.0 和工业物联网的转型。开放平台通信统一架构（OPC UA）是一种标准化协议，通过跨所有层级统一的语义通信来解决这些问题。然而，由于软件实现在内存和功耗要求上的过高限制，其在传感器和执行器等嵌入式现场设备中的采用仍然不足。我们开发了一个专用硬件引擎，用于卸载 OPC UA 协议的处理，并实现支持 OPC UA 的紧凑低功耗现场设备。作为概念验证嵌入式系统的一部分，我们在 22 nm FDSOI 工艺中实现了该引擎。我们测量了测试芯片的性能、功耗和内存占用，并与基于 open62541 和 Raspberry Pi 2B 的软件实现进行了比较。我们的 OPC UA 硬件引擎能效高出 50 倍，且仅需 36 KiB 内存。完整芯片在满负载下仅消耗 24 mW，使其适用于低功耗嵌入式应用。