工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)里PHY面臨的挑戰(zhàn)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）如今的工業(yè)場景中，整個工業(yè)系統(tǒng)遍布著復(fù)雜的自動化架構(gòu)和各式各樣的制造技術(shù)，這些通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接是工業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)正?；具\行的關(guān)鍵所在。

與在商業(yè)類場景、消費類場景部署以太網(wǎng)不同，工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境中會有更多物理和電磁環(huán)境上的挑戰(zhàn)。工業(yè)級的以太網(wǎng)PHY在溫度耐受、電壓浪涌、延遲要求和網(wǎng)絡(luò)速度上都有非常嚴苛的要求。

延遲對工業(yè)自動化的影響

在工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)中，有許多延遲的來源。一些延遲由物理連接產(chǎn)生，典型的就是布線和PCB連接導(dǎo)致的延遲。在網(wǎng)絡(luò)連接上，數(shù)據(jù)通過PHY、MAC、開關(guān)和路徑中的其他組件時也會導(dǎo)致延遲。延遲也是選擇PHY時很重要的參考指標。

IEEE 802.3系列標準雖然不斷在發(fā)展，但是對于數(shù)據(jù)包穿越PHY的時間這一項，是沒有廢除明確的規(guī)范的。但延遲又能很直接地影響到實時工廠自動化應(yīng)用程序。既然延遲不是IEEE 802.3標準所指定的以太網(wǎng)的定義值，又不是以太網(wǎng)固有的同步或可重復(fù)的值。因此以太網(wǎng)和工廠自動化應(yīng)用之間必須通過以太網(wǎng)物理層設(shè)備PHY的精心架構(gòu)來解決工廠自動化應(yīng)用之間的脫節(jié)。

無論網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)或工業(yè)協(xié)議如何，這些協(xié)議都有一個共同的目標，即為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點提供精確地控制。這一點可以通過對傳輸和接收的數(shù)據(jù)包進行時間戳，并使用這些時間戳在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點上對齊網(wǎng)絡(luò)時間來實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)時間由數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)中的協(xié)議所共享，每個節(jié)點上的時間戳單位都會標記該時間。任何時間戳的變化會降低系統(tǒng)的準確性。較長的延遲也會限制數(shù)據(jù)包可以使用時間戳的頻率以及限制網(wǎng)絡(luò)中允許的節(jié)點數(shù)量。因此，必須盡可能降低延遲。

工業(yè)以太網(wǎng)PHY——延遲

對于工業(yè)自動化里需要精確控制的運動控制應(yīng)用程序，周期時間一般需要在幾十微秒。在這些級別上，通過網(wǎng)絡(luò)中每個組件的延遲是至關(guān)重要的。以太網(wǎng)物理層PHY的延遲控制周期時間是非常關(guān)鍵的限制因素。

在1000Base-T、100Base-TX等以太網(wǎng)中，操作延遲更小的PHY可以提高周期時間。更小的延遲可以將周期時間提高到和更快傳輸速率以太網(wǎng)相同的級別，這相當于變相增加了網(wǎng)絡(luò)帶寬。目前大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用程序在100Base-TX以太網(wǎng)中運行，但很多應(yīng)用也正在開始轉(zhuǎn)移到1000Base-T，1000Base-T以太網(wǎng)可以提供更高的帶寬。延遲更低的PHY變相增加了網(wǎng)絡(luò)帶寬，也能很順利地幫助以太網(wǎng)向更高數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)變。

工業(yè)以太網(wǎng)演進下的PHY其他挑戰(zhàn)

溫度是工業(yè)場景中很難控制的，更嚴苛的溫度條件也給PHY設(shè)計增加了不少難度，PHY需要在很寬的溫度范圍內(nèi)保證發(fā)揮出其額定性能。一般來說工業(yè)以太網(wǎng)PHY應(yīng)能夠在－40至85℃的溫度范圍內(nèi)工作，并需要承受125℃的最大結(jié)溫。

功耗也是一個在任何時候都很重要的因素，尤其是在千兆位的PHY中，其功耗對系統(tǒng)的總功耗會產(chǎn)生重大影響。留給以太網(wǎng)物理層的功耗預(yù)算不會太多，而且每個互聯(lián)設(shè)備都是需要兩個以太網(wǎng)物理層，功耗需要夠低才能滿足整個設(shè)備的連接要求。有的廠商在低功耗PHY之外還會選擇用雙電源操作來實現(xiàn)更低的功耗。

小結(jié)

隨著工廠自動化系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增長，在節(jié)點與節(jié)點之間傳輸更多數(shù)據(jù)的需求不斷增加，在工廠中維持高性能互聯(lián)將變得愈發(fā)重要。不受惡劣工業(yè)環(huán)境影響的PHY 硬件連接對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)很有價值。