單對(duì)以太網(wǎng)的進(jìn)一步拓展——以太網(wǎng)高級(jí)物理層

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）以太網(wǎng)已經(jīng)在很多應(yīng)用中發(fā)揮出了不可替代的作用，不過想必大家都會(huì)在以太網(wǎng)在實(shí)際使用中經(jīng)常遇到不少挑戰(zhàn)，有可能是功率的挑戰(zhàn)、帶寬的挑戰(zhàn)、也有可能是布線的挑戰(zhàn)、通信距離的挑戰(zhàn)，還有可能是危險(xiǎn)工況的挑戰(zhàn)等等。

從單對(duì)以太網(wǎng)到高級(jí)物理層

隨著工業(yè)領(lǐng)域各種傳感和控制功能的更新迭代，對(duì)連接的要求是越來越高，挑戰(zhàn)越來越大。傳統(tǒng)的一個(gè)以太網(wǎng)連接可能需要多條用于快速100 Mbps以太網(wǎng)的導(dǎo)線，即便如此可能也不能保證各種數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行即時(shí)的交換。單對(duì)以太網(wǎng)解決了此類挑戰(zhàn)，并迅速在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用上發(fā)揮出它經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢(shì)。單對(duì)以太網(wǎng)作為一種能夠在短距離內(nèi)只需一對(duì)絞銅線即能以高達(dá)1Gb/s速度連接的技術(shù)，它能同時(shí)進(jìn)行雙向通信，并借助PoDL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與電力的傳輸。

基于單對(duì)以太網(wǎng)的增強(qiáng)物理層，Ethernet-APL（advanced physical layer），是一種新興的以太網(wǎng)高級(jí)物理層。以太網(wǎng)高級(jí)物理層根據(jù)10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，直接將單對(duì)以太網(wǎng)100m的限制拉長(zhǎng)到1000m，通信速度最高可以達(dá)到10 MBit/s?？梢园岩蕴W(wǎng)高級(jí)物理層Ethernet-APL看作單對(duì)以太網(wǎng)的進(jìn)一步拓展，支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高級(jí)別的協(xié)議，進(jìn)一步解決以太網(wǎng)在實(shí)際使用中遇到的挑戰(zhàn)。

高速率之外，高級(jí)物理層還有哪些優(yōu)勢(shì)

概括來看，以太網(wǎng)高級(jí)物理層增加了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的通用性和通信速度。通信速度上增強(qiáng)很明顯，而通用性不僅僅是說以太網(wǎng)高級(jí)物理層支持任何基于以太網(wǎng)的自動(dòng)化協(xié)議，而且還解決工廠場(chǎng)景中惡劣的環(huán)境條件所造成的具體需求。

以太網(wǎng)高級(jí)物理層兩種幅度模式，一種是1000m線纜的2.4V峰值，一種是縮短距離的1.0V峰值。1.0峰值模式下，以太網(wǎng)高級(jí)物理層滿足嚴(yán)格的最大能量限制，符合Zone 0本質(zhì)安全應(yīng)用需求，可以在極端惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。這一通用性是很難做到的。

和其他通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，帶寬上10BASE-T1L的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)很明顯了，功率上Ethernet-APL也大大解放了4 mA至20 mA的功率限制。Ethernet-APL在Zone 0應(yīng)用中可以提供高達(dá)500 mW的功率（最高60W），其他標(biāo)準(zhǔn)很難抗衡。

從整個(gè)通信系統(tǒng)的完整性，互通性來看，以太網(wǎng)通過在高級(jí)物理層上的融合，可以取代掉昂貴、復(fù)雜且耗電的網(wǎng)關(guān)，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(jī)下被全部整合在一起，對(duì)于工業(yè)通信來說這是很高效益的選擇。

實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)高級(jí)物理層的器件

要與支持 Ethernet-APL 的設(shè)備通信，需要具有集成介質(zhì)訪問控制MAC的主機(jī)處理器或具有 10BASE-T1L端口的以太網(wǎng)交換機(jī)。這就少不了適用于單對(duì)以太網(wǎng)的PHY和MAC-PHY的身影。一般這種PHY都會(huì)集成MAC接口，可通過串行外設(shè)接口SPI與各種主機(jī)控制器直接連接。

如上圖器件，PHY集成所有相關(guān)的模擬電路、輸入和輸出時(shí)鐘緩沖、管理接口控制寄存器和子系統(tǒng)寄存器以及MAC接口和控制邏輯，用以支持Ethernet-APL過程自動(dòng)化帶來長(zhǎng)距離、穩(wěn)健的10BASE-T1L以太網(wǎng)連接。

換另一個(gè)器件的角度來看，以太網(wǎng)連接器也是影響高級(jí)物理層最終傳輸效果的很重要的一類器件。以太網(wǎng)高級(jí)物理層組織定義的連接器標(biāo)準(zhǔn)是允許線纜接線到螺旋式或彈簧夾端子，從而通過密封套連接電纜進(jìn)入的。
在這類連接器上，目前常見的有螺紋型、推拉自鎖型和快速推鎖型。以太網(wǎng)高級(jí)物理層是數(shù)據(jù)與電源混合傳輸?shù)?，因此必須要做到金屬屏蔽分離，以避免功率信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)的干擾。

小結(jié)

借助以太網(wǎng)高級(jí)物理層，下游應(yīng)用可以在集成了Ethernet-APL的設(shè)備上自由實(shí)施多種協(xié)議，從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到云端充分展現(xiàn)高通信速率以及對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境的通用性的優(yōu)勢(shì)，借助各類可以實(shí)現(xiàn)Ethernet-APL的器件，以太網(wǎng)高級(jí)物理層技術(shù)會(huì)在工業(yè)領(lǐng)域會(huì)帶來很多技術(shù)風(fēng)向上的改變。