芯耀
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前言：TS-PON技術(shù)是目前業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的全光端到端工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案，專為滿足邊緣AI、機(jī)器人、智能制造等高帶寬、低時延與高同步要求的應(yīng)用場景而生。
在機(jī)器人、工業(yè)4.0與智能制造迅速發(fā)展的當(dāng)下，通信技術(shù)的革新已不再是單純的帶寬升級，而是關(guān)于整個邊緣智能系統(tǒng)的架構(gòu)重塑。工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)傳輸介質(zhì)可分為有線通信和無線通信兩大類，其中核心技術(shù)包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)絡(luò)（如TS-PON、TSN）等。TS-PON憑借光纖的高帶寬和抗干擾特性，正在重新定義工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的性能邊界，尤其適用于高精度控制和柔性制造場景。而傳統(tǒng)協(xié)議（如Profinet、EtherCAT）在現(xiàn)有系統(tǒng)中仍具優(yōu)勢，但面臨向TSN或光網(wǎng)絡(luò)升級的壓力。未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)“光纖主干+無線邊緣+協(xié)議融合”的立體架構(gòu)，TS-PON有望在其中扮演核心角色。
作為一家以光通信為核心的半導(dǎo)體公司，鵬瞰集成電路（杭州）有限公司提出了TS-PON（Time-Sensitive Passive Optical Network）這一初代化的通感控一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并于2025年推出其第二代SoC芯片TS-PON Gen2，為機(jī)器人與工業(yè)智能設(shè)備構(gòu)建出一套兼具高帶寬、低延遲、高同步與高安全的新一代通信骨干。
瞰半導(dǎo)體首席市場營銷官江曉峰
在日前舉行的松山湖IC設(shè)計(jì)論壇上，鵬瞰半導(dǎo)體首席市場營銷官江曉峰指出，在機(jī)器人等高復(fù)雜度系統(tǒng)中，通信鏈路常因協(xié)議分裂、時延無法保證、電磁干擾等問題面臨瓶頸。TS-PON打破了這些制約，通過將全系統(tǒng)運(yùn)行建立在光網(wǎng)架構(gòu)之上，并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一時鐘同步機(jī)制，讓數(shù)據(jù)傳輸不僅高速、穩(wěn)定，而且具備納秒級的時間抖動控制。
據(jù)介紹，TS-PON基于無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的點(diǎn)對多點(diǎn)架構(gòu)，核心特點(diǎn)包括：
高帶寬：第一代產(chǎn)品已支持10Gbps，未來版本計(jì)劃擴(kuò)展至25G、50G，以滿足高清圖像與大規(guī)模傳感器并發(fā)數(shù)據(jù)流的需求；
超低時延：通過TDM結(jié)構(gòu)與中心時鐘同步機(jī)制，在復(fù)雜工業(yè)場景下依然可實(shí)現(xiàn)微秒級延遲；
高可靠性：光纖天然抗電磁干擾，特別適用于高干擾工業(yè)環(huán)境；
高確定性：全網(wǎng)同步帶來毫秒以下響應(yīng)差異，關(guān)鍵執(zhí)行任務(wù)不受突發(fā)負(fù)載干擾；
低功耗與靈活組網(wǎng)：支持分光、環(huán)網(wǎng)、菊花鏈、光銅混合等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適配不同部署場景。
這種基于中心控制器統(tǒng)一調(diào)度、節(jié)點(diǎn)SoC多協(xié)議接入的方案，尤其適合機(jī)器人、電機(jī)控制、攝像傳輸?shù)葓鼍爸袑?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與控制的同步融合。
TS-PON技術(shù)解決工業(yè)通信碰到的帶寬不足和時延太大及電磁干擾難處理等瓶頸問題。創(chuàng)新地將TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）特點(diǎn)和PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)結(jié)合，把TSN交換機(jī)1G帶寬提升到TS-PON的10G，并將通信時延從1000μs以上降低到10μs，優(yōu)化了100倍。
TS-PON的Root芯片通常內(nèi)置在主站的控制器里，Node芯片內(nèi)置在從站的傳感器、執(zhí)行器等各種分布式現(xiàn)場輸入/輸出單元中，Root和Node之間采用光纖連接，通過P2MP（點(diǎn)到多點(diǎn)）方式實(shí)現(xiàn)信息上傳和下發(fā)及控制。
TS-PON的典型落地場景：重塑機(jī)器人與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景方面，TS-PON已在機(jī)器人內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、電機(jī)伺服控制、工業(yè)OT/IT融合等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)驗(yàn)證，顯著減少線纜數(shù)量、提升控制精度、降低整體布線成本。
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場景一：機(jī)器人神經(jīng)系統(tǒng)重構(gòu)
江曉峰表示，當(dāng)前機(jī)器人內(nèi)部的通信系統(tǒng)常常面臨多種通信協(xié)議并存的問題，例如以太網(wǎng)、CAN、USB、EtherCAT、485等，導(dǎo)致布線復(fù)雜且難以維護(hù)，尤其在高自由度關(guān)節(jié)中更是構(gòu)成空間瓶頸。傳統(tǒng)上，每種協(xié)議的布線與調(diào)試需要大量工程資源，限制了機(jī)器人的性能提升和空間利用。
鵬瞰的TS-PON解決方案通過一根光纖替代多條電纜，將機(jī)器人內(nèi)的感知、計(jì)算與控制信號統(tǒng)一傳輸。例如，一位客戶案例中，攝像頭的數(shù)據(jù)從頭部傳輸至主控SoC，再通過同一條線路傳輸至電機(jī)控制器。TS-PON的高帶寬和低延遲特性確保了圖像數(shù)據(jù)、控制信號等在機(jī)器人內(nèi)部的實(shí)時傳輸，同時大幅簡化了布線和后期維護(hù)，降低了成本并提升了機(jī)器人設(shè)計(jì)的靈活性。
場景二：工業(yè)生產(chǎn)中的IT/OT融合
工業(yè)自動化系統(tǒng)中，OT（操作技術(shù)）與IT（信息技術(shù)）的數(shù)據(jù)傳輸通常是分開的，但這種分離導(dǎo)致了較高的成本和數(shù)據(jù)孤島問題。特別是隨著工業(yè)4.0的到來，柔性制造的需求使得數(shù)據(jù)的高占有量與生產(chǎn)過程靈活變動的需求同步增長，IT與OT的融合變得至關(guān)重要。
TS-PON方案提供了一個解決方案，通過在一張網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)IT和OT的雙通道通信。TS-PON不僅能滿足工業(yè)控制數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸要求，還能支持大帶寬數(shù)據(jù)流的管理，如傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等。在光纖抗電磁干擾的基礎(chǔ)上，TS-PON能通過統(tǒng)一的架構(gòu)連接MES、PLC、SCADA等工業(yè)系統(tǒng)，打破IT和OT之間的壁壘，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c安全性。
場景三：多軸同步控制與精密伺服系統(tǒng)
在高自由度的機(jī)器人或數(shù)控機(jī)床中，多個電機(jī)的精確同步對于確保運(yùn)動軌跡的平滑性和任務(wù)執(zhí)行的成功至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)常常受到時延和同步誤差的影響，導(dǎo)致執(zhí)行精度降低。
借助TS-PON的全網(wǎng)時鐘同步功能，多個Node SoC節(jié)點(diǎn)可以在微秒級內(nèi)精確同步，確保各個電機(jī)、傳感器和執(zhí)行器之間的協(xié)同工作。在實(shí)際應(yīng)用中，某客戶通過TS-PON搭建了一個多達(dá)30軸的同步系統(tǒng)，顯著提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率與控制精度。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于高精度的工業(yè)自動化設(shè)備中，尤其是在多軸伺服系統(tǒng)的控制中，確保了精密操作的高效和安全。
鵬瞰工業(yè)4.0解決方案 基于TS-PON智慧工廠IT/OT融合架構(gòu)
TS-PON的競爭優(yōu)勢
相比傳統(tǒng)工業(yè)通信架構(gòu)，TS-PON在技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)性能、安全可控等維度展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，具備重塑下一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)底座的潛力。
首先，TS-PON天然具備高帶寬與低時延的優(yōu)勢。第一代產(chǎn)品即實(shí)現(xiàn)10Gbps光纖傳輸速率，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)的1Gbps，且未來規(guī)劃向25G甚至50G演進(jìn)。其基于TDM機(jī)制的統(tǒng)一時鐘同步設(shè)計(jì)，可將節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交換時延控制在微秒級以內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)納秒級的抖動控制，這對電機(jī)多軸協(xié)同、機(jī)器人精密動作控制至關(guān)重要。
其次，TS-PON在系統(tǒng)確定性與同步能力方面遠(yuǎn)超TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）等傳統(tǒng)方案。TSN基于以太網(wǎng)，協(xié)議復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)尚未完全成熟；而TS-PON依托光網(wǎng)絡(luò)的中心時鐘廣播機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了從主控到各節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一調(diào)度。這樣的結(jié)構(gòu)讓整網(wǎng)具備極高的確定性與實(shí)時性，尤其適用于對控制精度要求極高的邊緣計(jì)算場景，如多軸機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、柔性制造線等。
第三，TS-PON具備極強(qiáng)的抗電磁干擾能力與部署靈活性。光纖本身抗干擾能力強(qiáng)，可在電磁噪聲復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場保持低誤碼率；支持菊花鏈、星型、環(huán)網(wǎng)、分光、光銅混合等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可根據(jù)現(xiàn)場布局彈性部署，顯著降低線纜布設(shè)難度和系統(tǒng)集成復(fù)雜度。
在安全性層面，TS-PON Gen2已支持國密SM4等算法，為國產(chǎn)工業(yè)控制系統(tǒng)提供了符合法規(guī)的加密能力，增強(qiáng)了本土化部署的合規(guī)性與可信性。此外，通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（SDN），TS-PON芯片具備靈活的功能可編程能力，便于適配多樣化的客戶定制需求。
幾種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信對比，來源：與非研究院整理
總線網(wǎng)絡(luò)對比
TS-PON Gen2：靈活定義未來邊緣智能
當(dāng)前，鵬瞰已完成TS-PON核心芯片的量產(chǎn)部署，下一代產(chǎn)品（TS-PON Gen2）即將流片，預(yù)計(jì)將進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能、降低成本，并通過兼容XG(S)PON/GPON標(biāo)準(zhǔn)拓展至FTTx與F5G等市場，打開更廣闊的商業(yè)化前景。
江曉峰介紹了即將流片的TS-PON Gen2芯片，這是鵬瞰面向機(jī)器人、智能制造等邊緣AI應(yīng)用推出的第二代旗艦SoC，展現(xiàn)出系統(tǒng)級提升與模塊化升級的特點(diǎn)。
其主要創(chuàng)新點(diǎn)包括：
標(biāo)準(zhǔn)化接口：Gen2支持MCU、NPU、FPGA等常見控制與計(jì)算單元通過標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行直連，使Node芯片成為邊緣計(jì)算模塊的高性能通信網(wǎng)卡；
時間同步優(yōu)化：對原有時間同步協(xié)議棧進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)一步降低了節(jié)點(diǎn)間同步誤差，提升伺服電機(jī)等實(shí)時控制精度；
DBA增強(qiáng)：動態(tài)帶寬分配策略優(yōu)化后，可在數(shù)據(jù)激增場景下動態(tài)調(diào)整信道分配，兼顧帶寬效率與傳輸穩(wěn)定性；
降本增效：通過簡化片上資源與整合接口模塊，有效降低材料成本與系統(tǒng)BOM；
安全性提升：支持國密SM4加密算法，滿足國產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用在數(shù)據(jù)安全方面的合規(guī)需求。
其中，Root芯片作為整張網(wǎng)絡(luò)的“中樞神經(jīng)”，內(nèi)置多協(xié)議交換引擎，負(fù)責(zé)調(diào)度、同步、帶寬控制及通信加密；Node芯片則作為“末梢神經(jīng)”，集成MIPI、PCIe、USB、CAN、PWM、ADC、DAC等豐富接口，可直接連接攝像頭、電機(jī)、傳感器等各類終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與控制指令下發(fā)。江曉峰介紹，在Gen2版本中，Node SoC設(shè)計(jì)考慮到伺服器直連需求，某些型號已省去內(nèi)部MCU控制單元，改由外部主控對接，從而提供更大的可配置空間與靈活性。
技術(shù)積累與專利體系構(gòu)建
在邊緣AI與工業(yè)自動化快速融合的背景下，擁有自主可控的工業(yè)通信IP核心與系統(tǒng)設(shè)計(jì)專利，已成為芯片公司在“智能制造”、“工業(yè)以太網(wǎng)升級”與“機(jī)器人感知控制融合”三大主線中的競爭關(guān)鍵。
作為一家成立于2019年的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司，鵬瞰半導(dǎo)體以技術(shù)創(chuàng)新為出發(fā)點(diǎn)，致力于構(gòu)建具備自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)通信底座。通過持續(xù)專利布局與芯片產(chǎn)品迭代，鵬瞰為自身在高性能工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場中贏得了先發(fā)優(yōu)勢。
據(jù)公開資料顯示，截至目前，鵬瞰已申請并公開5項(xiàng)發(fā)明專利，覆蓋控制器架構(gòu)、傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>、光網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。其中最具代表性的一項(xiàng)授權(quán)專利為 CN111988369B《智能控制器及傳感器網(wǎng)絡(luò)總線、系統(tǒng)和方法》。該專利提出了一種基于中央處理單元與多媒體總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于高效調(diào)度自動化機(jī)器中的傳感器與執(zhí)行器信號，構(gòu)建低延遲、高同步、強(qiáng)實(shí)時的內(nèi)部通信機(jī)制。
在這項(xiàng)發(fā)明中，鵬瞰構(gòu)建了一種“突發(fā)式消息處理+全網(wǎng)廣播”的數(shù)據(jù)傳輸模式：消息由某節(jié)點(diǎn)發(fā)起后，以突發(fā)方式送至中央處理核心，再通過內(nèi)部多媒體總線廣播分發(fā)至所有節(jié)點(diǎn)。這種架構(gòu)有效地避免了工業(yè)系統(tǒng)中傳統(tǒng)串行通信帶來的延遲與沖突問題，適用于柔性制造、智能機(jī)器人等復(fù)雜場景，成為鵬瞰TS-PON SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)與工程落點(diǎn)。
不僅如此，鵬瞰在專利中也對節(jié)點(diǎn)SoC的硬件資源整合進(jìn)行了深度定義：例如，通過集成MCU、ADC、PWM、CAN、MIPI、PCIe等豐富接口，支持?jǐn)z像頭、伺服器、電機(jī)等多類型終端的快速掛載，并通過統(tǒng)一的光傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚與下發(fā)。這些特性直接體現(xiàn)在鵬瞰第一代與即將推出的第二代TS-PON Gen2芯片上，強(qiáng)化了其產(chǎn)品方案的完整性與兼容性。
總結(jié)：光通信重構(gòu)邊緣智能底座
隨著邊緣AI、智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的加速融合，傳統(tǒng)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)正面臨多重挑戰(zhàn)——包括帶寬瓶頸、時延不確定、電磁干擾嚴(yán)重以及協(xié)議碎片化問題。這些問題正在制約高性能機(jī)器人、柔性生產(chǎn)線與分布式智能系統(tǒng)的發(fā)展。
鵬瞰半導(dǎo)體以TS-PON為核心打造的新型光通信方案，為“邊緣智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”提供了顛覆式的底層連接能力。TS-PON不僅解決了高帶寬與低延遲并存的矛盾，還通過統(tǒng)一時鐘機(jī)制實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)納秒級同步，滿足了機(jī)器人多軸協(xié)同、精密控制、圖像融合等典型應(yīng)用對確定性通信的高標(biāo)準(zhǔn)需求。
更重要的是，這套系統(tǒng)不僅局限于設(shè)備內(nèi)部的互聯(lián)，還可延伸至工廠級IT/OT融合、智能汽車的數(shù)據(jù)融合域、未來F5G光網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從芯片到網(wǎng)絡(luò)的全棧自研能力。這種“類神經(jīng)系統(tǒng)”的架構(gòu)，讓一張光網(wǎng)同時承載感知、計(jì)算、控制等多種數(shù)據(jù)流，簡化了布線與維護(hù)，降低了整機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜度。
據(jù)了解，目前TS-PON方案已獲得多個工業(yè)客戶驗(yàn)證，并落地于機(jī)器人控制、伺服驅(qū)動、智能制造網(wǎng)絡(luò)等實(shí)際場景。同時，第二代芯片TS-PON Gen2即將流片，其在接口兼容性、安全合規(guī)性（如SM4支持）、軟硬協(xié)同能力上均作出強(qiáng)化，展現(xiàn)出廣闊的行業(yè)延展性與商業(yè)前景。
“未來的機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)就像人類神經(jīng)系統(tǒng)，不僅要高速響應(yīng)，還要準(zhǔn)確同步。TS-PON正是讓類腦系統(tǒng)成為可能的連接中樞?！?江曉峰認(rèn)為，這種連接不僅是技術(shù)意義上的帶寬升級，更是工業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)層面的范式轉(zhuǎn)變。以TS-PON為代表的創(chuàng)新型工業(yè)通信技術(shù)，正成為打通國產(chǎn)邊緣智能全鏈路的關(guān)鍵一環(huán)。
