【導讀】在開(kāi)發(fā)全新數據通信協(xié)議時(shí)，通常關(guān)注的重點(diǎn)是進(jìn)一步提高數據速率。然而，要確保工業(yè)和樓宇自動(dòng)化應用中的許多傳感器和執行器正常運行，我們需要的不僅僅是更快的數據速率。目前，這些“邊緣”設備使用大量的傳統多點(diǎn)通信協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)，使得原始設備制造商 (OEM) 支持這些設備將面臨更復雜的境況，并且成本隨之增加。為此，IEEE 成立了一個(gè)工作小組，研究短距離聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如何通過(guò)單對以太網(wǎng) (SPE) 線(xiàn)纜實(shí)現 10 Mb/s 的數據速率，以滿(mǎn)足工業(yè) 4.0、汽車(chē)以及其他市場(chǎng)領(lǐng)域的需求。
這一切最終促成了 2019 年 IEEE 802.3cg 標準的發(fā)布，現在該標準為“邊緣”應用帶來(lái)了 SPE 的優(yōu)勢。在本文中，我們首先闡述開(kāi)發(fā) 10BASE-T1S（基于這一新標準的 SPE 短距離版本）的驅動(dòng)因素，然后介紹安森美 (onsemi) 全新以太網(wǎng)收發(fā)器的功能，該收發(fā)器可為工業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和其他應用提供 10BASE-T1S 的優(yōu)勢。
圖 1：工業(yè) 4.0 對工業(yè)網(wǎng)絡(luò )提出了新要求
一 設置工業(yè)SPE的應用場(chǎng)景
盡管當前某些點(diǎn)對點(diǎn)類(lèi)型的單對以太網(wǎng)能夠快速提供（并超越）工業(yè)應用所需數據速率，但現有的多點(diǎn)類(lèi)型無(wú)法提供移動(dòng)機器人和執行器所需的確定性，做到近乎實(shí)時(shí)地響應輸入。這是因為這些類(lèi)型使用載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測 (CSMA/CD) 來(lái)調節對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )中共享介質(zhì)（線(xiàn)纜）的訪(fǎng)問(wèn)。CSMA/CD 存在數據沖突引起的隨機延遲，因此無(wú)法保證設備能夠在規定的時(shí)間間隔內傳輸數據并與接收器可靠通信。針對這個(gè)缺點(diǎn)，目前開(kāi)發(fā)出一種用于 10BASE-T1S 的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制調節新方法。10BASE-T1S 是一種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，旨在通過(guò)最長(cháng) 25 米的線(xiàn)纜實(shí)現數據速率高達 10Mb/s 的多點(diǎn)數據通信。物理層沖突避免 (PLCA) 可保證半雙工多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )中的最大延遲。PLCA 傳輸周期從協(xié)調器節點(diǎn)（節點(diǎn) 0）發(fā)送信標開(kāi)始到其他網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)同步結束。發(fā)送信標后，傳輸選擇權就會(huì )轉至節點(diǎn) 1。如果該節點(diǎn)沒(méi)有要發(fā)送的數據，選擇權就會(huì )轉至節點(diǎn) 2。這個(gè)過(guò)程會(huì )一直持續到每個(gè)節點(diǎn)都獲得了至少一次傳輸機會(huì ) (TO) 為止。然后，協(xié)調器節點(diǎn)會(huì )通過(guò)發(fā)出另一個(gè)信標的方式重新開(kāi)始傳輸周期。為防止節點(diǎn)阻斷總線(xiàn)，每個(gè)傳輸機會(huì )只允許傳輸一定數量的幀，取決于突發(fā)模式設置，默認為每個(gè)傳輸機會(huì ) (TO) 1 幀，但也可以設置為每個(gè) TO 128 幀?？偩€(xiàn)不會(huì )出現任何數據沖突，因此吞吐量不會(huì )受到任何影響。
圖 2：PLCA 介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制周期
布線(xiàn)是在工業(yè)環(huán)境中部署傳統以太網(wǎng)的另一個(gè)障礙。標準以太網(wǎng)線(xiàn)纜有四對電線(xiàn)，不僅增加了成本，而且也難以安裝。10BASE-T1S 專(zhuān)為使用單對電線(xiàn)而開(kāi)發(fā)，因此更小巧、更易使用，成本也明顯更低。
除了實(shí)時(shí)性能和確定性之外，在惡劣且嘈雜的電氣環(huán)境下可靠工作是工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)關(guān)鍵要求。舊的以太網(wǎng)標準設計不具備電磁兼容性 (EMC)，而 10BASE-T1S 在設計時(shí)考慮到這些惡劣的環(huán)境因素。因此，與其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò )相比，10BASE?T1S 具有出色的 EMC 性能。如今，即便使用非屏蔽單對線(xiàn)纜，也可以利用 10BASE-T1S 設計出滿(mǎn)足 3 類(lèi) IEC61000-4-6 EMI 要求（10 Vrms 共模噪聲注入）的系統。PLCA 是提高電磁抗擾性的關(guān)鍵因素，因為消除沖突有助于物理層收發(fā)器使用先進(jìn)技術(shù)，這樣在電氣噪聲比較大的環(huán)境下也能恢復信號。
二 工藝邊緣的SPE
工業(yè)設備原始設備制造商和工業(yè)設施運營(yíng)商將會(huì )因 10BASE-T1S 在許多方面受益匪淺。在工廠(chǎng)環(huán)境下，許多通信技術(shù)通常在物理層 (PHY) 連接設備（RS-485、UART），在數據鏈路層連接各種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。這些節點(diǎn)以較低的數據速率將所有部件（包括溫度和壓力傳感器、機器人和暖通空調執行器、風(fēng)扇、電壓監控器、電源轉換器以及其他模塊）連接至控制柜。10BASE-T1S 的多點(diǎn)能力允許將這些設備連接至單根共享線(xiàn)纜，這意味著(zhù)，我們可以在不影響整體網(wǎng)絡(luò )性能或不會(huì )導致進(jìn)程停止的情況下移除（或更換）這些設備，從而大大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )維護，降低網(wǎng)絡(luò )維護成本。用 10BASE-T1S 取代傳統多點(diǎn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )還可消除對大型交換機、網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉換器的需求，以及支持這些設備所需的額外線(xiàn)纜和功率需求。
三 二合一MAC PHY收發(fā)器
典型的 10BASE-T1S 以太網(wǎng) PHY 控制器只提供通過(guò)非屏蔽單對線(xiàn)纜傳輸和接收數據所需的物理層功能，并支持通過(guò)獨立的標準介質(zhì)(MII) 與 MAC 通信。但是，安森美的 NCN26010（圖 3）是一款符合 IEE 802.3cg 標準的以太網(wǎng)收發(fā)器，它將媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器 (MAC)、PLCA 協(xié)調子層 (RS) 與 10BASE-T1S PHY 整合在單個(gè)封裝，因此無(wú)需使用這種雙層設計方法。這意味著(zhù)，它可提供通過(guò)單一的非屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸和接收數據所需的所有物理層功能，并可通過(guò) Open Alliance 的 MACPHY SPI 協(xié)議與主機 MCU 通信。通過(guò)將 PHY 和 MAC 集成在單個(gè) MACPHY 設備中，可以將以太網(wǎng)與傳感器以及其他使用中低端 MCU 的工業(yè)設備（無(wú)集成 MAC）搭配使用。這不僅顯著(zhù)降低了復雜性，還支持在系統初始安裝后靈活地重新配置節點(diǎn)。
圖 3：安森美的 NCN26010 10BASE-T1S 收發(fā)器
NCN26010 還具有另外兩個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢。第一個(gè)優(yōu)勢：它具有增強的抗噪模式和出色的誤碼率 (BER)，同時(shí)通過(guò)了 IEC6100-4-6 在 10 Vrms 條件下進(jìn)行的抗擾度測試，確保在嘈雜的工廠(chǎng)環(huán)境下能夠進(jìn)行可靠的信號檢測。此功能使 NCN26010 能夠在長(cháng)達 50 米的線(xiàn)纜上部署 8 個(gè)節點(diǎn)（IEEE 802.3cg 標準要求的 2 倍）。第二個(gè)優(yōu)勢：該器件的線(xiàn)路引腳電容更低，最多可將 40 個(gè)節點(diǎn)連接至一根 25 米長(cháng)的單對電纜上（超出 IEEE 802.3cg 標準 5 倍）。NCN26010 還可通過(guò)采用以太網(wǎng)的分層法來(lái)降低軟件維護成本，因此更改以太網(wǎng) PHY 不會(huì )影響上部軟件層。NCN26010 收發(fā)器可采用4 mm x 4mm QFN32 薄型封裝或 5mm x 5mm TQFP32 封裝。除了工業(yè)工廠(chǎng)，該收發(fā)器還可用于樓宇自動(dòng)化（電梯和智能傳感器）、街道照明、鐵路運輸以及其他汽車(chē)應用。
四 云-邊緣互聯(lián)
從最初主要用于連接計算設備到現在的許多形式，以太網(wǎng)已經(jīng)取得了相當大的發(fā)展，能夠滿(mǎn)足許多不同應用的速度和距離要求。10BASE-T1S 彌補了工廠(chǎng)車(chē)間中多點(diǎn)確定性應用以及其他邊緣應用所需的缺失鏈路。
本文作者：安森美技術(shù)營(yíng)銷(xiāo) / 有線(xiàn)互聯(lián)業(yè)務(wù)部 Arndt Schuebel
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