Ethernet-APL，運用以太網(wǎng)高級物理層實現(xiàn)以太網(wǎng)突破

Ethernet-APL，一種新興的以太網(wǎng)高級物理層，嚴(yán)格來說是基于單對以太網(wǎng)（SPE）的增強物理層。它按照2019年11月7日批準(zhǔn)的新10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定了在危險場所使用的實施和防爆方法，使得在危險的過程自動化設(shè)施中部署高速、支持以太網(wǎng)儀器的進展又邁了一大步。

（圖源：Ethernet-APL | FieldComm）

Ethernet-APL全雙工，可以通過長達1000m的電纜進行通信，速度最高可以達到10 MBit/s，其能實現(xiàn)的理想效果對比HART或現(xiàn)場總線等當(dāng)前廣泛應(yīng)用的技術(shù)可以說不在一個層次上。Ethernet-APL作為以太網(wǎng)的邏輯擴展，提供了過程工廠現(xiàn)場可靠運行所需的屬性。作為高級物理層它能夠支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高級別的協(xié)議。

Ethernet-APL為了解決連接中的無縫挑戰(zhàn)

雖然我們已經(jīng)對以太網(wǎng)已經(jīng)了解了不少，但以太網(wǎng)在實際使用中仍任經(jīng)常遇到不少挑戰(zhàn)，功率的挑戰(zhàn)、帶寬的挑戰(zhàn)、布線的挑戰(zhàn)、通信距離的挑戰(zhàn)乃至于危險工況的挑戰(zhàn)。以太網(wǎng)高級物理層給予了一種新的可能，即從現(xiàn)場到云端的無縫融合。這個無縫是相比4mA至20mA、現(xiàn)場總線而言，這二者復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)遠稱不上無縫連接。

而以太網(wǎng)已部署在自動化金字塔的上層，并在現(xiàn)場與四線以太網(wǎng)設(shè)備結(jié)合，如驅(qū)動器、流量、分析儀和電機控制中心。然而，它仍然需要增強，來支持工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用程序。以太網(wǎng)高級物理層為的就是增加標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的通用性和通信速度。我們不妨把它看作以太網(wǎng)連接的“最后一米”，這最后一米的實現(xiàn)將允許任何設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)的所有區(qū)域獲取數(shù)據(jù)。

在自動化應(yīng)用中，現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的距離一直是將現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)物理層技術(shù)限制在原地進展緩慢的重大挑戰(zhàn)，Ethernet-APL 應(yīng)對該挑戰(zhàn)將通信距離拉長到1公里，并以極低的功耗和極高的可靠性連接到現(xiàn)場應(yīng)用。

Ethernet-APL支持兩種幅度模式，一種是1000m線纜的2.4V峰值，一種是縮短距離的1.0V峰值。后一種模式的峰值幅度意味著這種以太網(wǎng)高級物理層滿足嚴(yán)格的最大能量限制，能夠在防爆系統(tǒng)中使用。至于數(shù)據(jù)和電力的同時傳輸在此前單對以太網(wǎng)中已經(jīng)講過了，二者都能滿足長距離傳輸。

（自動化領(lǐng)域連接技術(shù)屬性對比，Ethernet-APL | FieldComm）

細數(shù)以太網(wǎng)高級物理層優(yōu)勢

首先對4mA至20mA（帶HART）、現(xiàn)場總線以及10BASE-T1L通信做一個簡單的比較，從數(shù)據(jù)帶寬上來看，4mA至20mA的貸款在1.2kbps，現(xiàn)場總線的帶寬在31.25kbps，10BASE-T1L為10Mbps，帶寬上新標(biāo)準(zhǔn)占據(jù)的優(yōu)勢太明顯；從功率來看，小于40mW的4mA至20mA以及功率極有限的現(xiàn)場總線也很難和IS下500mW非IS下60W的10BASE-T1L抗衡。

從另一方面來說，通過在高級物理層上的融合，昂貴、復(fù)雜且耗電的網(wǎng)關(guān)將被取代，這種實現(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的契機是上下游都很看重的。原本分散的基礎(chǔ)設(shè)施，分散的信息孤島，分散的數(shù)據(jù)訪問在此契機下被全部打通。

上面我們說到了供電功率，以太網(wǎng)高級物理層根據(jù)使用的電纜，目前最高能夠提供60W的功率。這大大提升了以往的功率限制，意味著更多設(shè)備、更多功能能夠被啟用。尤其是隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣的應(yīng)用來說，可用功率的限制一直是掣肘多應(yīng)用發(fā)展的攔路虎。高級物理層的入場將大大提升測量的性能與數(shù)據(jù)邊緣處理的能力。

要與支持以太網(wǎng)高級物理層的設(shè)備進行通信，需要具有集成介質(zhì)訪問控制的主機處理器或具有10BASE-T1L端口的以太網(wǎng)交換機，半導(dǎo)體制造商能夠?qū)⒃摷夹g(shù)無縫地集成到現(xiàn)有的設(shè)備或儀器中。

（Ethernet-APL現(xiàn)場級設(shè)備數(shù)據(jù)連接與10BASE-T1L PHY，ADI）

這種物理層設(shè)備，可通過串行外設(shè)接口SPI與各種主機控制器直接連接，這種SPI支持使用低功耗處理器而無需集成 MAC，整體功耗上直接從系統(tǒng)級上做了優(yōu)化。為了保證整個物理層設(shè)備芯片系統(tǒng)的穩(wěn)定性，半導(dǎo)體廠商會內(nèi)部集成電壓電源監(jiān)控和上電復(fù)位電路。

基于以太網(wǎng)高級物理層系統(tǒng)的固有診斷可以很輕易地確定網(wǎng)絡(luò)的魯棒性、檢測信號強度和識別狀態(tài)并檢測，在各類工廠的終端節(jié)點傳感器上已經(jīng)有不少亮眼的應(yīng)用。

小結(jié)

Ethernet-APL直接影響了跨行業(yè)的IT/OT網(wǎng)絡(luò)融合，借助基于以太網(wǎng)的物理層，下游應(yīng)用可以在集成了Ethernet-APL的設(shè)備上自由實施多種協(xié)議，其從現(xiàn)場級到云端的普適性，將會在工業(yè)領(lǐng)域帶來了讓人意想不到的革新。