深度解讀邊緣設(shè)備全以太網(wǎng)方案

10BASE-T1S是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、汽車(chē) IVN和智能建筑中邊緣設(shè)備全以太網(wǎng)化的缺失環(huán)節(jié)，可與促進(jìn)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的100/1000BASE-T1以太網(wǎng)主干網(wǎng)對(duì)接。這是因?yàn)?0BASE-T1S可直接連接到以太網(wǎng)MAC層下數(shù)據(jù)鏈路層 (L2) 的現(xiàn)有OSI參考模型層，無(wú)需使用低效且昂貴的協(xié)議網(wǎng)關(guān)。10BASE-T1S多點(diǎn)傳送SPE也是10BASE-T1L長(zhǎng)距離（1千米）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)淖罴蜒a(bǔ)充?！哆吘壴O(shè)備全以太網(wǎng)方案：10BASE-T1S》白皮書(shū)將系統(tǒng)介紹探討10BASE-T1S如何在工業(yè)和汽車(chē)中運(yùn)作，本文為第二部分，將介紹10BASE?T1S控制器架構(gòu)、OPEN聯(lián)盟（Open Alliance）SPI接口和塊、安森美（onsemi）的NCN26010 10BASE?T1S控制器等。

10BASE?T1S控制器架構(gòu)

三種典型的10BASE?T1S控制器體系結(jié)構(gòu)如下圖1所示。在左側(cè)，MAC（媒體訪問(wèn)控制）與PHY（物理層器件）和PLCA一起集成到10BASE?T1S控制器中，僅需通過(guò)五個(gè)SPI（串行外設(shè)接口）引腳與MCU通信。

在圖1的中間，MCU包含MAC，而10BASE?T1S控制器包含PHY和PLCA，通過(guò)16個(gè)外部引腳的MII（媒體獨(dú)立接口）接口（第22條）與配套MCU通信。在圖1的最右側(cè)，MCU包含MAC、PLCA和ePHY，而10BASE?T1S控制器包含PMD（Physical Medium Dependent）。從本質(zhì)上講，ePHY包含大部分?jǐn)?shù)字PHY電路，PMD包含大部分模擬PHY電路。還開(kāi)發(fā)了一種11引腳RMII（精簡(jiǎn)媒體獨(dú)立接口），但多項(xiàng)研究表明，使用RMII與PLCA存在互操作性問(wèn)題。

圖1. 三個(gè)10BASE?T1S控制器、MAC+PHY、僅PHY或PMD

下圖2說(shuō)明了這三種10BASE?T1S控制器體系結(jié)構(gòu)，如何適用于100/1000BASE?T1以太網(wǎng)中繼分支到多個(gè)10BASE?T1S子節(jié)點(diǎn)中。

圖2.100/1000BASE?T1分支到10BASE?T1S子節(jié)點(diǎn)

OPEN聯(lián)盟（Open Alliance）SPI接口和塊

2021年12月20日，以太網(wǎng)OPEN聯(lián)盟發(fā)布了“10BASE?T1x MAC?PHY串行接口”規(guī)范（Open_Alliance_10BASET1x_MAC?PHY_Serial_Interface_ V1.1.pdf），該規(guī)范描述了MAC?PHY 10BASE?T1x控制器和配套MCU之間的串行接口。

MAC?PHY被指定為通過(guò)下圖3所示的單個(gè)全雙工串行外圍接口承載數(shù)據(jù)（以太網(wǎng)幀）和控制（寄存器訪問(wèn)）事務(wù)。接口至少支持15 MHz的SPI時(shí)鐘（SCK）速率?？梢砸暂^慢的速度操作，但供應(yīng)商通常支持較快的速度。

圖3.開(kāi)放式串行10BASE?T1x接口的引腳

有時(shí)，MCU可能太忙，無(wú)法在給定時(shí)間通過(guò)SPI傳輸（TX或RX）整個(gè)以太網(wǎng)幀。在這種情況下，以太網(wǎng)幀可以以數(shù)據(jù)塊的形式傳輸。塊可以是8、16、32或64字節(jié)。SPI會(huì)為全速流量運(yùn)行的STM32 MCU增加大約6%?8%的負(fù)載開(kāi)銷(xiāo)。

安森美的NCN26010 10BASE?T1S控制器

圖4顯示了2022年6月發(fā)布的NCN26010 10BASE?T1S控制器內(nèi)部框圖，完全符合IEEE802.3cg規(guī)范，適用于單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）上的多點(diǎn)、半雙工、10 Mb/s速率。NCN26010 采用QFN32、4 mm x 4 mm封裝，包含MAC、PLCA和PHY（RX+TX）。NCN26010單3.3 V供電，使用25 MHz晶振或時(shí)鐘源，支持由上述OPEN聯(lián)盟定義的OA SPI接口，以及增強(qiáng)的噪聲抗擾度。

圖4.NCN26010 10BASE?T1S控制器內(nèi)部框圖

安森美的NCN26000 10BASE?T1S PHY（MII）

下圖5顯示了2024年4月發(fā)布的NCN26000 10BASE?T1S物理層器件內(nèi)部框圖。與NCN26010一樣，完全符合IEEE802.3cg規(guī)范，適用于單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）上的多點(diǎn)、半雙工、10 Mb/s數(shù)據(jù)速率。

與NCN26010相比，QFN32、5 mm x 5 mm封裝的NCN26000中僅包含PLCA?RS和PHY（RX+TX）。作為僅具有PHY器件的NCN26000，擁有和NCN26010相同的高級(jí)PHY功能。單3.3 V供電，使用25 MHz晶振或時(shí)鐘源，支持符合IEEE802.3的MII接口，以及增強(qiáng)的抗噪聲功能，相關(guān)內(nèi)容將在下文中進(jìn)一步討論。

圖5. NCN26000 10BASE?T1S控制器內(nèi)部框圖

Linux對(duì)NCN26010和NCN26000的支持

以太網(wǎng)最重要的因素之一是“免費(fèi)”提供的大量軟件。安森美認(rèn)識(shí)到這個(gè)大型生態(tài)系統(tǒng)的重要性，Linux是支撐新技術(shù)開(kāi)發(fā)的重要工具，尤其在嵌入式系統(tǒng)中。因此，NCN6010完全支持Linux內(nèi)核（從6.5版本開(kāi)始），對(duì)NCN26000的支持已經(jīng)完全集成到Linux內(nèi)核中（從6.3版開(kāi)始）。

截至2023年7月，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處于測(cè)試階段，支持NCN26010的所有主要功能，與Linux網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和編程模型無(wú)縫集成。測(cè)試版驅(qū)動(dòng)程序可應(yīng)客戶(hù)要求提供。

多點(diǎn)連接線路終端

圖6展示了IEEE802.3cg規(guī)定的10BASE?T1S多點(diǎn)線路終端，其中多點(diǎn)SPE電纜的兩端需要100Ω差分邊緣終端（最小25米）。

節(jié)點(diǎn)PMA（物理介質(zhì)附件）的傳輸，將通過(guò)兩個(gè)100nF電容（交流耦合）驅(qū)動(dòng)正邊緣或負(fù)邊緣，通過(guò)標(biāo)稱(chēng)最大10cm距離（傳輸線短截線）傳播到MDI（介質(zhì)相關(guān)接口）并進(jìn)入電纜。非傳輸節(jié)點(diǎn)的PMA保持高阻抗，不影響傳輸線，最大限度地減少短截線的不連續(xù)性。

圖6. 10BASE?T1S線路終端

MDI連接器和PMA信號(hào)

下圖7展示了兩個(gè)MDI（介質(zhì)相關(guān)接口）連接器示例，以及IEEE802.3cg規(guī)范中的PMA（物理介質(zhì)連接）引腳與信號(hào)的映射關(guān)系。IEEE802.3cg規(guī)范為10BASE?T1S多點(diǎn)拓?fù)涮峁┝?8 AWG到26 AWG的線纜規(guī)格指南。

圖7. MDI連接器IEC 63171?1和IEC 63171–6

10BASE?T1S多點(diǎn)終端，帶NCN260x0評(píng)估板

圖8說(shuō)明了如何使用NCN26010評(píng)估板作為10BASE?T1S多點(diǎn)連接終端。物理上位于電纜端點(diǎn)的兩個(gè)評(píng)估板，JP2開(kāi)關(guān)關(guān)閉。兩個(gè)端點(diǎn)內(nèi)的所有其他節(jié)點(diǎn)都打開(kāi)JP2開(kāi)關(guān)。如果客戶(hù)希望將NCN26010評(píng)估板用于“Engineered PoDL”（數(shù)據(jù)線供電），則JP2和100Ω無(wú)源電阻需要移動(dòng)到100 nF 交流耦合電容的另一側(cè)。

在任務(wù)模式下，NCN26010具有GPIO，可用于啟用或禁用100Ω終端。

圖8. NCN26010評(píng)估板多點(diǎn)終端

10BASE?T1S多點(diǎn)分段中的故障節(jié)點(diǎn)

如果任何10BASE?T1S節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，假設(shè)PMA信號(hào)BI_DA+和BI_DA-對(duì)地短路，兩個(gè)PMA信號(hào)都與MDI交流耦合，則故障節(jié)點(diǎn)不會(huì)引起10BASE?T1S其他節(jié)點(diǎn)故障。

隨著PLCA循環(huán)的迭代，發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)始終對(duì)其他節(jié)點(diǎn)保持靜默，并且PLCA循環(huán)將繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)總線仲裁過(guò)程。管家固件程序可以加載到PLCA協(xié)調(diào)器（節(jié)點(diǎn)0）的MCU中，監(jiān)測(cè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的延長(zhǎng)靜默，以確定節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生故障，而不是正常運(yùn)行中，但沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼Ｇ闆r。

發(fā)生故障的PLCA協(xié)調(diào)器（節(jié)點(diǎn)0）和CSMA/CD

如果PLCA協(xié)調(diào)器發(fā)生故障，則10BASE?T1S將恢復(fù)為CSMA/CD（載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)）。CSMA/CD允許任意節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)間傳輸?shù)娇偩€上。如果發(fā)生沖突，沖突節(jié)點(diǎn)會(huì)識(shí)別出沖突，然后在再次傳輸之前“隨機(jī)等待時(shí)間”。概率告訴我們，多個(gè)隨機(jī)等待時(shí)間不會(huì)同時(shí)結(jié)束。因此，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的“隨機(jī)等待時(shí)間”之后，該節(jié)點(diǎn)將重試傳輸。

圖9說(shuō)明了8個(gè)節(jié)點(diǎn)和64字節(jié)有效數(shù)據(jù)的PLCA相對(duì)于CSMA/CD的優(yōu)勢(shì)。在圖9的左側(cè)，PLCA吞吐量與傳輸節(jié)點(diǎn)的數(shù)量無(wú)關(guān)，為9.6 Mb/s。相反，CSMA/CD吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而急劇下降。在圖9的右側(cè)，PLCA的訪問(wèn)延遲范圍為10微秒到100微秒，具體取決于總線負(fù)載百分比。相反，CMSA/CD訪問(wèn)延遲的范圍從100微秒到10毫秒。

圖9. 8個(gè)節(jié)點(diǎn)和64字節(jié)有效數(shù)據(jù)的PLCA與CSMA/CD的比較

將節(jié)點(diǎn)添加到現(xiàn)有10BASE?T1S多點(diǎn)連接段

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要有一個(gè)不同的PLCA編號(hào)。但插入額外的節(jié)點(diǎn)時(shí)，并沒(méi)有任何規(guī)則或協(xié)議來(lái)定義這一點(diǎn)。

然而，一個(gè)可行的方案可能是：

?在CSMA/CD中啟動(dòng)新節(jié)點(diǎn)。

?協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以每10秒進(jìn)行一次“角色調(diào)用”，并獲取電纜上所有站點(diǎn)的MAC地址（這需要用戶(hù)定義專(zhuān)用以太網(wǎng)幀）。

?協(xié)調(diào)器保存所有MAC地址的列表，并為其分配一個(gè)PLCA ID，通過(guò)專(zhuān)用以太網(wǎng)幀進(jìn)行通信。

?一旦所有站點(diǎn)知道其地址，協(xié)調(diào)器“命令”所有站點(diǎn)進(jìn)入PLCA。

這只是一個(gè)例子，可能還有其他算法可以實(shí)現(xiàn)同樣的效果。這完全取決于客戶(hù)希望如何進(jìn)行PLCA ID分配。

PMA線路編碼與信號(hào)幅度

PMA（物理介質(zhì)附件）的10BASE?T1S線路編碼為4B/5B+DME（差分曼徹斯特編碼），直流平衡，差分信號(hào)峰峰值為1.0 V ±20%。

NCN260x0增強(qiáng)噪聲抗擾度（ENI）

根據(jù)IEEE802.3cg規(guī)范，發(fā)送器輸出電壓幅度為峰-峰值1 V ±20%。當(dāng)總噪聲接近500 mV的差分峰-峰值時(shí)，10BASE?T1S的信號(hào)完整性可能會(huì)受到影響，導(dǎo)致過(guò)多的比特誤碼或錯(cuò)誤的載波檢測(cè)。NCN26010和NCN26000包含一種稱(chēng)為增強(qiáng)噪聲抗擾度（ENI）的功能，當(dāng)總噪聲超過(guò)500 mV峰-峰值時(shí)，該功能可以在不出現(xiàn)誤碼下，實(shí)現(xiàn)10 Mb/s的數(shù)據(jù)通信。

為了展示NCN260x0 ENI的優(yōu)勢(shì)，我們創(chuàng)建了圖10所示的測(cè)試工作臺(tái)，在禁用ENI的情況下，我們通過(guò)30米的CAT5e UTP（非屏蔽雙絞線）電纜將以太網(wǎng)幀從2號(hào)開(kāi)發(fā)板（TX）發(fā)送到3號(hào)開(kāi)發(fā)板（RX）。

圖10. 測(cè)試工作臺(tái)