【導讀】對于低數(shù)據(jù)速率設備，工業(yè)設施和汽車制造商需要一種經(jīng)濟高效的連接解決方案，而10BASE-T1S和10BASE-T1L可提供低成本且簡單的解決方案。
對于低數(shù)據(jù)速率設備，工業(yè)設施和汽車制造商需要一種經(jīng)濟高效的連接解決方案，而10BASE-T1S和10BASE-T1L可提供低成本且簡單的解決方案。
您將了解到：
? 該標準如何將以太網(wǎng)引入到網(wǎng)絡的最邊緣
? 它為什么完全符合分區(qū)架構(gòu)的趨勢
? 它將如何降低布線復雜性并實現(xiàn)車輛工廠自動化
世界上充斥著大量數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其中大多數(shù)都是為了提供盡可能高的數(shù)據(jù)速率而設計的。但是，絕大多數(shù)設備（例如，開關和執(zhí)行器）都很簡單，不會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，因此不需要高速通信。世界上有數(shù)十億這樣的設備，并且其數(shù)量還在呈指數(shù)級增長。一段時間以來，人們需要的是一種簡單、低成本的數(shù)據(jù)通信解決方案，同時它還要能夠為工業(yè)、汽車和其他市場中的所有此類設備提供服務。該解決方案已于2019年底以IEEE? 802.3cg標準的形式推出。我們將會看到，它具有巨大的潛力，因為它可將低成本的單對以太網(wǎng)布線引入到網(wǎng)絡邊緣。
這項標準由IEEE任務組發(fā)起，當時他們正在研究如何提供一種可以覆蓋遠距離的低速技術，并且這種技術可以通過單平衡對以太網(wǎng)電纜實現(xiàn)10 Mbps的數(shù)據(jù)速率。他們還希望在較短距離上實現(xiàn)多點通信功能。盡管10 Mbps聽起來不算多快，但對于控制開關、繼電器、執(zhí)行器或機械臂以及許多其他設備而言已經(jīng)足夠，并且在當時，“工業(yè)以太網(wǎng)”還無法以聚合的方式提供這些功能。
任務組中的汽車制造商要求提供一種覆蓋更短距離的解決方案，這種解決方案需要具備相同的基本功能和多點通信功能，其中每個節(jié)點連接到一根電纜，因而無需使用開關，并且需要更少的線路、開關端口和收發(fā)器。這種解決方案將使用以太網(wǎng)實現(xiàn)從最低到最高的所有速度。最終，大多數(shù)人都如愿以償，結(jié)果是以太網(wǎng)10BASE-T1S可覆蓋至少25 m的距離，10BASE-T1L可覆蓋高達1 km的距離。而100BASE-T1和1000BASE-T1也被納入單對以太網(wǎng)（SPE）的范疇。傳輸介質(zhì)的范圍涵蓋一根雙絞線到PC板或服務器背板上的其他線對配置和并行走線。與其他替代方案相比，所有這些都更易于安裝、更輕便、更靈活且成本更低（見表1）。
表1. 連接標準對比
基礎知識
除了最大傳輸距離之外，10BASE-T1S和10BASE-T1L之間還有兩個主要區(qū)別。首先，只有10BASE-T1S提供多點通信和點對點連接能力。其次，只有10BASE-T1S采用了物理層防沖突（PLCA），這是在汽車、工業(yè)和樓宇自動化等需要固定性能的實時應用中使用時的關鍵要素。PLCA專門設計用于10BASEase-T1S等半雙工、多點通信網(wǎng)絡，并且避免了多點通信混合段中發(fā)生載波偵聽多路訪問與沖突檢測（CSMA/CD）問題。
CSMA/CD可能會表現(xiàn)出由數(shù)據(jù)沖突引起的隨機延時。PLCA能夠提供克服這些限制的保證最大延時和其他特性。PLCA部署到位后，傳輸周期從協(xié)調(diào)器節(jié)點（節(jié)點0）發(fā)送的信標開始，網(wǎng)絡節(jié)點使用該信標進行同步。
在發(fā)送信標后，傳輸機會將傳遞給節(jié)點1。如果該節(jié)點沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則將傳輸機會讓給節(jié)點2，依此類推，這一過程持續(xù)進行，直到為每個節(jié)點提供至少一次傳輸機會。然后，協(xié)調(diào)器節(jié)點會發(fā)起一個新周期，并發(fā)送另一個信標。為了防止節(jié)點阻塞總線，jabber功能會在節(jié)點傳輸超過分配的時間時將其中斷，從而允許傳輸下一個節(jié)點。結(jié)果是對數(shù)據(jù)吞吐量沒有影響，總線上也沒有發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。
圖1. 物理層防沖突（PLCA）
兩種解決方案都有可觀的好處，最重要的是以太網(wǎng)在全球范圍內(nèi)廣泛用于信息技術（IT）和操作技術（OT）領域，同時受到數(shù)百家公司的充分認可和支持。這種解決方案的成本相對較低且在不斷降低，自其推出以來，還通過每次迭代來保持其核心結(jié)構(gòu)。這意味著在系統(tǒng)中使用以太網(wǎng)作為主要通信協(xié)議時，不需要協(xié)議轉(zhuǎn)換和執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換所需的網(wǎng)關。
從最簡單的低數(shù)據(jù)速率交換機到高數(shù)據(jù)速率傳感器（例如，能產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)并需要Gbps速度的攝像頭），任何類型的設備都可以在不進行轉(zhuǎn)換的情況下得到支持。這些設備均可在以太網(wǎng)交換機中聚合，并用以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)速率發(fā)送到云端進行處理和分析。
圖2. 從邊緣到云端的以太網(wǎng)
對汽車制造商的益處
如果汽車制造商不僅要支持CAN總線，還要支持多個應用特定的標準，則為大多數(shù)功能采用單一協(xié)議可帶來極大的優(yōu)勢。每個車型年份都會對ADAS系統(tǒng)進行增強，通常需要新的攝像頭、雷達、超聲波傳感器（未來還會有激光雷達），以及對信息娛樂和導航系統(tǒng)的改進。
這導致了在當今的車輛中，普遍具有40種不同的線束、80到100個電子控制單元（ECU）和300根電線（總長2.5英里，重達250磅）。由于各種應用所需的電纜類型多種多樣，并且每種類型都有其自己的要求，因此也面臨著電磁兼容性（EMC）的問題。
為了滿足汽車將很快采用數(shù)億行代碼的要求（目前采用1億行代碼），汽車行業(yè)正在向基于以太網(wǎng)的分區(qū)電子/電氣（E/E）架構(gòu)過渡，這種架構(gòu)將傳感器聚合到從分區(qū)網(wǎng)關到主干的單鏈路中。
圖3. 網(wǎng)絡大趨勢
它幾乎完全基于以太網(wǎng)，其即插即用功能特別適合未來定義車輛的服務導向型環(huán)境。設備可以實時連接和斷開，而不會停機，這是CAN總線的顯著優(yōu)勢。也就是說，CAN總線多年來一直為汽車行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)服務，并將繼續(xù)為其最適合的應用提供服務，因此它可能會存在很多年。
行業(yè)解決方案
盡管汽車行業(yè)將從10BASE-T1S中獲益最多，但出于以下幾個原因，工業(yè)領域也可從10BASE-T1S和10BASE-T1L中獲益匪淺。首先，工業(yè)設施使用許多不同的通信技術來互連設備，包括I2C到RS-485、UART和CAN等。它們連接從控制柜布線到溫度傳感器、HVAC執(zhí)行器、電梯、風扇、電壓監(jiān)視器、直流到直流轉(zhuǎn)換器和其他模塊以及計算機背板等一切內(nèi)容。其中許多設備僅需要低數(shù)據(jù)速率，而這些標準正是為它們而設計的。
雖然還沒有成為主要的討論話題，但它可以通過連接使用各種短程無線解決方案（例如ZigBee?、藍牙?或Wi-Fi?）的設備，在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮關鍵作用。正如許多早期采用者所了解的那樣，將無線應用于物聯(lián)網(wǎng)聽起來容易，但實現(xiàn)起來非常困難。這些解決方案顯然將在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮巨大作用，但考慮到以太網(wǎng)的優(yōu)勢，它們不一定是惟一的解決方案。
其次，10BASE-T1S的多點通信能力允許連接、刪除或更換許多設備，而不會影響整體網(wǎng)絡性能，并且整個過程非常簡單。最后，幾乎每個設施中都采用了以太網(wǎng)，因此可以通過單一標準實現(xiàn)從云端到邊緣的移動。還有一點非常重要，即隨著工業(yè)發(fā)展到第四代，分區(qū)方法也在該市場中得到應用，而以太網(wǎng)是首選解決方案。還有一些其他優(yōu)勢，但僅僅這些就足以讓SPE極具吸引力。
首款收發(fā)器
實現(xiàn)10BASE-T1S需要為其提供支持的以太網(wǎng)收發(fā)器，而為10BASE-T1S提供服務的首款產(chǎn)品是Microchip的LAN867x系列以太網(wǎng)收發(fā)器。LAN8670/1/2允許創(chuàng)建多點通信和點對點網(wǎng)絡拓撲。它支持至少15 m的點對點鏈路段，其多點通信模式支持至少八個連接到最長25 m公共混合段的收發(fā)器。請注意，這是IEEE規(guī)范中的“最小最大值”。當系統(tǒng)實現(xiàn)者驗證正確的操作時，發(fā)現(xiàn)可以支持更多節(jié)點和更遠距離。收發(fā)器由單個3.3 VDC電源供電，并具有集成的1.8 VDC穩(wěn)壓器，其溫度范圍為-40°C到+125°C，且符合工業(yè)EMC和EMI要求，適用于惡劣環(huán)境。
LAN8670/1/2支持通過標準MII/RMII接口與以太網(wǎng)MAC通信，集成的串行管理接口可在高達4 MHz的條件下提供快速寄存器訪問和配置。對物理介質(zhì)的訪問由載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）或物理層防沖突（PLCA）進行管理，PLCA通過避免物理層沖突來實現(xiàn)高帶寬利用率，并支持在突發(fā)模式下傳輸多個數(shù)據(jù)包，適用于高數(shù)據(jù)包速率、延時敏感型應用。
為了讓設計人員更輕松地轉(zhuǎn)移到10BASE-T1S，公司提供了適合許多Microchip MCU板的RMII和MII評估板，或者可以在用戶創(chuàng)建的設計中使用這些評估板。另一個評估板可以插入USB主機，以成為10BASE-T1S節(jié)點，并且它隨附適用于Linux和Windows的驅(qū)動程序。此外，Microchip的MPLAB? Harmony開發(fā)框架還支持將10BASE-T1S技術與Microchip單片機和微處理器集成。
總結(jié)
IEEE 802.3cg SPE標準的發(fā)布恰逢工業(yè)4.0初具雛形之時。工業(yè)4.0和汽車行業(yè)正在競相簡化其臃腫的連接問題，同時每年也在增加更多傳感器和其他可連接設備。10BASE-T1S和10BASE-T1L都為將以太網(wǎng)覆蓋范圍擴展到網(wǎng)絡邊緣鋪平了道路，同時為使用簡易雙芯電纜且無需千兆速度的低數(shù)據(jù)速率設備提供支持。簡而言之，它擁有顯著改變這些設備在工業(yè)環(huán)境和各種車輛中的連接方式的潛力。
（來源：Microchip，作者：Henry Muyshondt高級經(jīng)理）
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