單對以太網(wǎng)步入工廠車間

在開發(fā)新的數(shù)據(jù)通信協(xié)議時，提高數(shù)據(jù)速率通常是主要關(guān)注點。然而，在工業(yè)和樓宇自動化應用中運行的無數(shù)傳感器和執(zhí)行器中，許多需要的不僅僅是快速的數(shù)據(jù)速率才能正常工作。這些邊緣設備目前使用無數(shù)傳統(tǒng)的多點協(xié)議進行互連，這增加了原始設備制造商 （OEM） 支持它們的復雜性和成本。

考慮到這一點，IEEE成立了一個工作組，研究短距離網(wǎng)絡技術(shù)如何通過一對以太網(wǎng)（SPE）電纜提供10 Mb / s的數(shù)據(jù)速率，以滿足工業(yè)4.0，汽車和其他市場的需求。

這在 2019 年發(fā)布的 IEEE 802.3cg 標準中達到高潮，該標準現(xiàn)在將 SPE 的優(yōu)勢帶到了邊緣。

為工業(yè) SPE 奠定基礎

雖然已經(jīng)存在點對點類型的單對以太網(wǎng)，可以快速提供（并超過）工業(yè)應用所需的數(shù)據(jù)速率，但現(xiàn)有的多點類型無法提供移動機器人和執(zhí)行器近乎實時響應輸入所需的確定性。這是因為它們使用載波檢測多路訪問和沖突檢測 （CSMA/CD） 來仲裁對多點網(wǎng)絡中共享介質(zhì)（電纜）的訪問。

CSMA/CD表現(xiàn)出由數(shù)據(jù)沖突引起的隨機延遲，因此無法保證設備能夠在定義的時間間隔內(nèi)與接收器進行傳輸和可靠的通信。為了解決這一缺點，開發(fā)了一種調(diào)節(jié)介質(zhì)訪問控制的新方法，用于10BASE-T1S，這是一種網(wǎng)絡協(xié)議，旨在通過長達10米的電纜以高達25Mb/s的速率實現(xiàn)多點數(shù)據(jù)通信。

物理層沖突避免 （PLCA） 可確保半雙工多點網(wǎng)絡中的最大延遲。當協(xié)調(diào)器節(jié)點（節(jié)點 0）發(fā)送信標時，PLCA 傳輸周期開始，然后其他網(wǎng)絡節(jié)點同步到該信標。發(fā)送信標后， 傳輸選項將轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點 1.如果此節(jié)點沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則該選項將傳遞給節(jié)點 2。此過程一直持續(xù)到每個節(jié)點至少獲得一個傳輸機會 （TO） 為止。

然后，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過發(fā)送另一個信標來重新啟動循環(huán).為了防止節(jié)點阻塞總線，每個傳輸機會只允許一定數(shù)量的傳輸幀，由突發(fā)模式設置控制，該設置默認為每個傳輸機會 （TO） 一幀，但可以設置為每 TO 128 幀。總線上不會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，因此吞吐量不受影響。

圖2：PLCA介質(zhì)訪問控制周期

布線是在工業(yè)環(huán)境中部署傳統(tǒng)以太網(wǎng)的另一個障礙。標準以太網(wǎng)電纜有四對電線，這增加了它們的成本并使它們難以安裝。10BASE-T1S被開發(fā)為使用一對電線工作，這些電線更小，更易于使用，并且價格便宜得多。

除了實時性能和確定性之外，在惡劣和電氣噪聲環(huán)境中可靠工作是工業(yè)網(wǎng)絡的關(guān)鍵要求。雖然較舊的以太網(wǎng)標準不是為電磁兼容性 （EMC） 而設計的，但 10BASE-T1S 在設計時考慮了這些惡劣環(huán)境。結(jié)果是，與其他工業(yè)網(wǎng)絡相比，10BASE-T1S表現(xiàn)出出色的EMC性能。

使用10BASE-T1S，即使使用非屏蔽單對電纜，也可以設計出滿足3類IEC61000-4-6 EMI要求（10 Vrms共模噪聲注入）的系統(tǒng)。PLCA是提高電磁抗擾度的關(guān)鍵因素，因為消除碰撞使物理層收發(fā)器能夠采用先進的技術(shù)，即使在存在高水平的電噪聲的情況下也能恢復信號。

工業(yè)邊緣的 SPE

工業(yè)設備原始設備制造商和工業(yè)設施運營商將在許多方面從10BASE-T1S中受益匪淺。在工廠環(huán)境中，許多通信技術(shù)傳統(tǒng)上在物理層（PHY）連接設備（RS-485，UART），在數(shù)據(jù)鏈路層連接各種現(xiàn)場總線協(xié)議。這些節(jié)點以低數(shù)據(jù)速率將溫度和壓力傳感器、機器人和 HVAC 執(zhí)行器、風扇、電壓監(jiān)視器、電源轉(zhuǎn)換器和其他模塊等所有設備連接回控制柜。

10BASE-T1S的多點功能允許將這些設備連接到單個共享電纜，這意味著它們可以在不影響整體網(wǎng)絡性能或?qū)е逻^程停機的情況下被移除（或更換），從而大大簡化并降低了網(wǎng)絡維護成本。用 10BASE-T1S 取代傳統(tǒng)的多點工業(yè)網(wǎng)絡還消除了對大型交換機、網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器的需求，以及支持它們所需的額外布線和電源。

二合一麥克菲收發(fā)器

典型的 10BASE-T1S 以太網(wǎng) PHY 控制器僅提供通過非屏蔽單對電纜傳輸和接收數(shù)據(jù)所需的物理層功能，并支持通過標準媒體獨立接口 （MII） 與 MAC 通信。安森美的NCN26010（圖3）是一款符合IEEE 802.3cg標準的以太網(wǎng)收發(fā)器，旨在通過在單個封裝中集成媒體訪問控制器（MAC）、PLCA協(xié)調(diào)子層（RS）和10BASE?T1S PHY，消除這種雙層方法。

這意味著它可以提供通過單個非屏蔽雙絞線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所需的所有物理層功能，并通過開放聯(lián)盟MACPHY SPI協(xié)議與主機MCU通信。將PHY和MAC集成到單個MACPHY器件上，允許以太網(wǎng)與傳感器和其他工業(yè)設備一起使用，這些設備具有沒有集成MAC的中低端MCU。這大大降低了復雜性，并提供了在初始系統(tǒng)安裝后重新配置節(jié)點的靈活性。

圖3：安森美的NCN26010 10BASE-T1S收發(fā)器

云到邊緣連接

以太網(wǎng)從主要用于連接計算設備的形成時期發(fā)展到許多當前的偽裝，使其能夠滿足不同應用的速度和距離要求。10BASE-T1S 填補了工廠車間多點確定性應用和其他邊緣應用所需的缺失環(huán)節(jié)。

審核編輯：郭婷