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(shí)，提高數(shù)據(jù)速率通常是主要關(guān)注點(diǎn)。然而，在工業(yè)和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用中運(yùn)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(shè)備目前使用無數(shù)傳統(tǒng)的多點(diǎn)協(xié)議進(jìn)行互連，這增加了原始設(shè)備制造商 （OEM） 支持它們的復(fù)雜性和成本。

考慮到這一點(diǎn)，IEEE成立了一個(gè)工作組，研究短距離網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)中達(dá)到高潮，該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在將 SPE 的優(yōu)勢帶到了邊緣。

為工業(yè) SPE 奠定基礎(chǔ)

雖然已經(jīng)存在點(diǎn)對點(diǎn)類型的單對以太網(wǎng)，可以快速提供（并超過）工業(yè)應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)速率，但現(xiàn)有的多點(diǎn)類型無法提供移動(dòng)機(jī)器人和執(zhí)行器近乎實(shí)時(shí)響應(yīng)輸入所需的確定性。這是因?yàn)樗鼈兪褂幂d波檢測多路訪問和沖突檢測 （CSMA/CD） 來仲裁對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)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(jī)延遲，因此無法保證設(shè)備能夠在定義的時(shí)間間隔內(nèi)與接收器進(jìn)行傳輸和可靠的通信。為了解決這一缺點(diǎn)，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(luò)協(xié)議，旨在通過長達(dá)10米的電纜以高達(dá)25Mb/s的速率實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。

物理層沖突避免 （PLCA） 可確保半雙工多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的最大延遲。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn) 0）發(fā)送信標(biāo)時(shí)，PLCA 傳輸周期開始，然后其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同步到該信標(biāo)。發(fā)送信標(biāo)后， 傳輸選項(xiàng)將轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn) 1.如果此節(jié)點(diǎn)沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則該選項(xiàng)將傳遞給節(jié)點(diǎn) 2。此過程一直持續(xù)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少獲得一個(gè)傳輸機(jī)會 （TO） 為止。

然后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送另一個(gè)信標(biāo)來重新啟動(dòng)循環(huán).為了防止節(jié)點(diǎn)阻塞總線，每個(gè)傳輸機(jī)會只允許一定數(shù)量的傳輸幀，由突發(fā)模式設(shè)置控制，該設(shè)置默認(rèn)為每個(gè)傳輸機(jī)會 （TO） 一幀，但可以設(shè)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(gè)障礙。標(biāo)準(zhǔn)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(jià)格便宜得多。

除了實(shí)時(shí)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(luò)的關(guān)鍵要求。雖然較舊的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不是為電磁兼容性 （EMC） 而設(shè)計(jì)的，但 10BASE-T1S 在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了這些惡劣環(huán)境。結(jié)果是，與其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)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?yàn)橄鲎彩刮锢韺?a target="_blank">收發(fā)器能夠采用先進(jìn)的技術(shù)，即使在存在高水平的電噪聲的情況下也能恢復(fù)信號。

工業(yè)邊緣的 SPE

工業(yè)設(shè)備原始設(shè)備制造商和工業(yè)設(shè)施運(yùn)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(shè)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(diǎn)以低數(shù)據(jù)速率將溫度和壓力傳感器、機(jī)器人和 HVAC 執(zhí)行器、風(fēng)扇、電壓監(jiān)視器、電源轉(zhuǎn)換器和其他模塊等所有設(shè)備連接回控制柜。

10BASE-T1S的多點(diǎn)功能允許將這些設(shè)備連接到單個(gè)共享電纜，這意味著它們可以在不影響整體網(wǎng)絡(luò)性能或?qū)е逻^程停機(jī)的情況下被移除（或更換），從而大大簡化并降低了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本。用 10BASE-T1S 取代傳統(tǒng)的多點(diǎn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)還消除了對大型交換機(jī)、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(biāo)準(zhǔn)媒體獨(dú)立接口 （MII） 與 MAC 通信。安森美的NCN26010（圖3）是一款符合IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)收發(fā)器，旨在通過在單個(gè)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(gè)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(jī)MCU通信。將PHY和MAC集成到單個(gè)MACPHY器件上，允許以太網(wǎng)與傳感器和其他工業(yè)設(shè)備一起使用，這些設(shè)備具有沒有集成MAC的中低端MCU。這大大降低了復(fù)雜性，并提供了在初始系統(tǒng)安裝后重新配置節(jié)點(diǎn)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(jì)算設(shè)備的形成時(shí)期發(fā)展到許多當(dāng)前的偽裝，使其能夠滿足不同應(yīng)用的速度和距離要求。10BASE-T1S 填補(bǔ)了工廠車間多點(diǎn)確定性應(yīng)用和其他邊緣應(yīng)用所需的缺失環(huán)節(jié)。

審核編輯：郭婷