【導讀】我們的世界正變得更加智能且緊密相連，樓宇和工廠(chǎng)正以前所未有的方式實(shí)現自動(dòng)化。為了確保這些新系統有效運行，可靠的信息通信至關(guān)重要——這不僅體現在工業(yè)控制面板內部，也包括遍布整個(gè)場(chǎng)所的各種設備之間的通信。
我們的世界正變得更加智能且緊密相連，樓宇和工廠(chǎng)正以前所未有的方式實(shí)現自動(dòng)化。為了確保這些新系統有效運行，可靠的信息通信至關(guān)重要——這不僅體現在工業(yè)控制面板內部，也包括遍布整個(gè)場(chǎng)所的各種設備之間的通信。
直到最近，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )還很復雜，可能需要使用各種協(xié)議和網(wǎng)關(guān)。這可能既昂貴又不可靠，難以確保應有的互聯(lián)互通能力。
然而，隨著(zhù)10BASE-T1S以太網(wǎng)的出現，一場(chǎng)變革正在發(fā)生。這一創(chuàng )新標準取代了傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，為現代網(wǎng)絡(luò )環(huán)境提供了多種優(yōu)勢，并消除了對網(wǎng)關(guān)的需求。
支持新標準的一系列設備，如安森美的工業(yè) 10BASE- T1S 以太網(wǎng)控制器，為連接雙絞線(xiàn) (TP) 提供了可靠有效的單芯片解決方案。
工業(yè)應用中的可靠連接
雖然工業(yè)機柜內的距離相對較短，但要在工業(yè)應用中提供可靠的連接卻極具挑戰性，特別是由于存在大量的電氣噪聲。大型配電盤(pán)、電機和許多其他大電流/高電壓設備都會(huì )產(chǎn)生一定程度的電磁干擾，從而破壞網(wǎng)絡(luò )通信。
在辦公應用中，由于中斷造成的數據傳輸緩慢會(huì )令人沮喪或不便。然而，在工業(yè)應用中，數據的及時(shí)傳輸至關(guān)重要，尤其是來(lái)自控制機器運行的遠程傳感器數據。如果數據延遲或不正確，可能會(huì )違反流程參數，更有甚者會(huì )損壞生產(chǎn)設備。
出于同樣的原因，及時(shí)傳輸數據變得尤為重要。這就不適用于那些基于隨機超時(shí)來(lái)協(xié)商總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)權限的協(xié)議。
10BASE-T1S 如何應對最新的工業(yè)連接挑戰
網(wǎng)絡(luò )基礎設施常被形容為一個(gè) "堆棧"，最底層是物理實(shí)現（布線(xiàn)/媒體），其上是日益復雜的軟件。在工廠(chǎng) 4.0 應用中，人工智能 (AI)、機器學(xué)習 (ML)、規劃、執行、自動(dòng)化、跟蹤、庫存控制、監督控制等位于頂層。最底層（物理層）是工廠(chǎng)車(chē)間，包括機器人、執行器、運動(dòng)傳感器和閥門(mén)在內的邊緣節點(diǎn)在這里執行實(shí)體制造工作，通常覆蓋多條裝配線(xiàn)。
圖 1 - 10BASE-T1S 消除了對非以太網(wǎng)協(xié)議和相關(guān)網(wǎng)關(guān)的需求
堆棧頂層的通信通常是通過(guò)多千兆位以太網(wǎng)局域網(wǎng)進(jìn)行的。然而，工廠(chǎng)車(chē)間的通信往往是由多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議（包括 HART、RS-485、Mod-bus、DeviceNet、Profi-Bus 和 CAN）組成的零散網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)一對雙絞線(xiàn)（可能是屏蔽線(xiàn)或非屏蔽線(xiàn)）以兆位或更低的速率運行。
為了使其成為一個(gè)統一的網(wǎng)絡(luò )來(lái)工作，需要在以太網(wǎng)部分和其他協(xié)議之間安裝網(wǎng)關(guān)，這會(huì )導致通信碎片化，增加了成本和復雜性。 一種新型以太網(wǎng)將顯著(zhù)增強智能樓宇和工廠(chǎng)應用中的邊緣連接。
2019年IEEE 802.3cg規范的批準帶來(lái)了10BASE-T1S。該標準基于標準以太網(wǎng)，但有幾點(diǎn)重要差異，提供了10Mb/s的吞吐量、具有確定性沖突處理機制的多點(diǎn)操作。該標準能在非屏蔽單對雙絞線(xiàn)（SPE）上運行，從而極大簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程并降低了成本。
確定性操作對于實(shí)時(shí)系統至關(guān)重要，因為實(shí)時(shí)系統必須在已知時(shí)間內傳輸信息。傳統以太網(wǎng)使用的 CSMA/CD （載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測），采用隨機時(shí)間周期，因此無(wú)法保證通信時(shí)間的確定性。
10BASE-T1S 使用一種稱(chēng)為 PLCA（物理層沖突避免）的新系統，可避免總線(xiàn)上的數據沖突。在 PLCA 下，由節點(diǎn)0（協(xié)調器）發(fā)送2.0μs信標同步網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)節點(diǎn)。然后，節點(diǎn)0獲得傳輸機會(huì )。如果沒(méi)有傳輸數據，則在默認標準 3.2 微秒內將機會(huì )傳遞給節點(diǎn) 1。如此循環(huán)往復，每個(gè)節點(diǎn)依次獲得一次發(fā)送機會(huì )。循環(huán)結束后，協(xié)調器發(fā)出信標信號，新的循環(huán)開(kāi)始。如果某個(gè)節點(diǎn)試圖傳輸的數據超過(guò)允許的幀大小，那么 "jabber "功能就會(huì )中斷傳輸并將傳輸機會(huì )傳遞給下一個(gè)節點(diǎn)，從而確?？偩€(xiàn)不會(huì )被阻塞。
通過(guò)使用PLCA，最壞情況下的媒體訪(fǎng)問(wèn)延遲可以通過(guò)當前節點(diǎn)數量與最大網(wǎng)絡(luò )幀大小的乘積來(lái)計算，這是可以調整的。
許多工業(yè)應用都處于惡劣的電磁環(huán)境中，開(kāi)關(guān)設備、電機和其他大型設備會(huì )產(chǎn)生輻射和傳導噪聲。盡管使用的是非屏蔽雙絞線(xiàn)，但與現有的以太網(wǎng)協(xié)議相比，10BASE-T1S提供了出色的電磁兼容性（EMC）性能。
這部分歸功于 PLCA 的應用。由于總線(xiàn)已知是無(wú)沖突的，當環(huán)境中存在高水平噪聲時(shí)，物理層接收器能夠使用復雜的算法來(lái)檢測或恢復信號。
安森美的以太網(wǎng)控制器：增強連接性
隨著(zhù) 10BASE-T1S 協(xié)議的推出，新器件針對 10BASE-T1S 進(jìn)行了優(yōu)化，使設計人員能夠充分利用新特性。例如，安森美的 NCN26010 是一款符合 IEEE 802.3cg 標準的以太網(wǎng)收發(fā)器，它集成了媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器 (MAC)、PLCA 調和子層 (PLCA-RS) 和適用于工業(yè)多點(diǎn)以太網(wǎng)的 10BASE-T1S 物理層。該器件內置了通過(guò)單根非屏蔽雙絞線(xiàn)收發(fā)數據所需的所有物理層功能。
圖2——NCN26010基本框圖，標示了外部元器件
盡管集成了MAC、PLCA和PHY（包括TX+RX），該器件卻可封裝在一個(gè)小巧的4mm x 4mm QFN32封裝內，并且僅需單一的3.3V電源供電。其時(shí)序是由外部25MHz晶體振蕩器或外部25MHz時(shí)鐘源驅動(dòng)。與主機的通信則通過(guò)Open Alliance定義的OA SPI接口進(jìn)行。
此外，NCN26010 還具有增強抗噪（ENI）功能，可將抗噪能力提高到高于 10BASE-T1S 規范要求的水平。這大大提高了嘈雜工業(yè)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò )性能。
安森美于 2024 年 4 月發(fā)布了專(zhuān)為工業(yè)以太網(wǎng)設計的 NCN26000 10BASE-T1S 以太網(wǎng)收發(fā)器 (PHY)。它與早期的 NCN26010 有很多相同之處，包括符合 IEEE802.3cg 標準，可通過(guò) SPE 實(shí)現多點(diǎn)、半雙工 10 Mb/s 數據傳輸速率。
圖 3 - NCN26000 詳細內部框圖
這兩款器件的主要區別在于，NCN26000 在一個(gè) 5mm x 5mm QFN 封裝中僅包含 PLCA-RS 和 PHY（TX + RX）。NCN26000 還需要 3.3 V 電源和 25MHz 外部時(shí)鐘。
NCN26000具有符合IEEE802.3標準的媒體獨立接口（MII），能夠連接至任何具有CRS和COL引腳的CSMA/CD半雙工功能的MAC，MII 還可用于配置和監測器件（稱(chēng)為 MDIO）。
這兩款器件都集成了安森美的 ENI 功能，可顯著(zhù)提高 10BASE-T1S 多點(diǎn)應用在電噪聲環(huán)境中的性能。在實(shí)驗室進(jìn)行測試時(shí)，這兩款器件輕松超過(guò)了 25 米內 8 個(gè)節點(diǎn)的最低要求。事實(shí)上，進(jìn)一步的測試表明，ENI 可在 25 米處支持約 40 個(gè)節點(diǎn)，在 50 米處支持 16 個(gè)節點(diǎn)，在 60 米處支持 6 個(gè)節點(diǎn)，輕松超過(guò)了 IEEE 規范的要求。
應用和部署場(chǎng)景
10BASE-T1S 不僅具有確定性工作的特點(diǎn)，其基于非屏蔽單對以太網(wǎng)（SPE）線(xiàn)纜，部署成本相對較低。10BASE-T1S 的更低成本和更簡(jiǎn)單的集成有助于為以前受預算或封裝限制的應用帶來(lái)廣泛的可能性。其中一個(gè)例子是，在復雜的工業(yè)自動(dòng)化中，通過(guò)將以前獨立的傳感器節點(diǎn)進(jìn)行升級，連接到集中的網(wǎng)絡(luò )系統。以前可用的連接方法可能過(guò)于昂貴或難以集成，而 10BASE-T1S 則克服了這些障礙。在新的機器人或自動(dòng)化解決方案的設計過(guò)程中，也會(huì )遇到類(lèi)似的成本和封裝挑戰，10BASE-T1S 可以再次幫助實(shí)現更高的互連性，而不會(huì )影響性能或增加預算。
隨著(zhù)樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷發(fā)展，10BASE-T1S 可用于控制面板、人機界面 (HMI)、傳感器、執行器和照明等應用，為整個(gè)樓宇提供高速可靠的主干網(wǎng)。
在工業(yè)應用中，性能和成本很重要，而抗噪聲能力則尤為重要。在這里，10BASE-T1S 可用于連接從控制柜到可編程邏輯控制器 (PLC)、傳感器、接觸器和其他任何適當配備 10BASE-T1S 接口的器件。
結論
直到最近，由于邊緣設備常用的各種協(xié)議相互之間不兼容，自動(dòng)化工廠(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )需要在邊緣設備和主以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )之間安裝許多網(wǎng)關(guān)。通常情況下，這些現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議包括 HART、RS-485、Mod-bus、DeviceNet、Profi-Bus 和 CAN，每種協(xié)議都需要各自的網(wǎng)關(guān)。這就增加了成本和復雜性，尤其是每個(gè)網(wǎng)關(guān)都需要軟件更新和維護。
隨著(zhù) 10BASE-T1S 的出現，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )得以簡(jiǎn)化，同時(shí)性能也得到了提高。不再需要網(wǎng)關(guān)的存在，邊緣連接也從低于 1Mb/s 的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議轉變?yōu)?0Mb/s 的確定性以太網(wǎng)。
安森美擁有一系列適用于新協(xié)議的產(chǎn)品，其中包括兩款符合 IEEE 802.3cg 標準的控制器。憑借其獨特的 ENI 功能，它們能夠成功地部署在噪音最大的環(huán)境中，甚至可以在 25 米的線(xiàn)路上連接多達 40 個(gè)節點(diǎn)，是標準要求的四倍。
（作者：安森美模擬與混合信號事業(yè)部 (AMG) ，產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師，Arndt Schübel）
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