工業(yè)4.0時代，單對以太網(wǎng)如何顛覆傳統(tǒng)工廠車間？

在開發(fā)全新數(shù)據(jù)通信協(xié)議時，通常關注的重點是進一步提高數(shù)據(jù)速率。然而，要確保工業(yè)和樓宇自動化應用中的許多傳感器和執(zhí)行器正常運行，我們需要的不僅僅是更快的數(shù)據(jù)速率。目前，這些“邊緣”設備使用大量的傳統(tǒng)多點通信協(xié)議進行互聯(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 成立了一個工作小組，研究短距離聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如何通過單對以太網(wǎng) (SPE) 線纜實現(xiàn) 10 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率，以滿足工業(yè) 4.0、汽車以及其他市場領域的需求。

這一切最終促成了 2019 年 IEEE 802.3cg 標準的發(fā)布，現(xiàn)在該標準為“邊緣”應用帶來了 SPE 的優(yōu)勢。在本文中，我們首先闡述開發(fā) 10BASE-T1S（基于這一新標準的 SPE 短距離版本）的驅(qū)動因素，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)自動化、樓宇自動化和其他應用提供 10BASE-T1S 的優(yōu)勢。

圖 1：工業(yè) 4.0 對工業(yè)網(wǎng)絡提出了新要求

 一 設置工業(yè)SPE的應用場景

盡管當前某些點對點類型的單對以太網(wǎng)能夠快速提供（并超越）工業(yè)應用所需數(shù)據(jù)速率，但現(xiàn)有的多點類型無法提供移動機器人和執(zhí)行器所需的確定性，做到近乎實時地響應輸入。這是因為這些類型使用載波偵聽多路訪問/沖突檢測 (CSMA/CD) 來調(diào)節(jié)對多點網(wǎng)絡中共享介質(zhì)（線纜）的訪問。CSMA/CD 存在數(shù)據(jù)沖突引起的隨機延遲，因此無法保證設備能夠在規(guī)定的時間間隔內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)并與接收器可靠通信。針對這個缺點，目前開發(fā)出一種用于 10BASE-T1S 的介質(zhì)訪問控制調(diào)節(jié)新方法。10BASE-T1S 是一種網(wǎng)絡協(xié)議，旨在通過最長 25 米的線纜實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率高達 10Mb/s 的多點數(shù)據(jù)通信。物理層沖突避免 (PLCA) 可保證半雙工多點網(wǎng)絡中的最大延遲。PLCA 傳輸周期從協(xié)調(diào)器節(jié)點（節(jié)點 0）發(fā)送信標開始到其他網(wǎng)絡節(jié)點同步結(jié)束。發(fā)送信標后，傳輸選擇權(quán)就會轉(zhuǎn)至節(jié)點 1。如果該節(jié)點沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，選擇權(quán)就會轉(zhuǎn)至節(jié)點 2。這個過程會一直持續(xù)到每個節(jié)點都獲得了至少一次傳輸機會 (TO) 為止。然后，協(xié)調(diào)器節(jié)點會通過發(fā)出另一個信標的方式重新開始傳輸周期。為防止節(jié)點阻斷總線，每個傳輸機會只允許傳輸一定數(shù)量的幀，取決于突發(fā)模式設置，默認為每個傳輸機會 (TO) 1 幀，但也可以設置為每個 TO 128 幀?？偩€不會出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)沖突，因此吞吐量不會受到任何影響。

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)的另一個障礙。標準以太網(wǎng)線纜有四對電線，不僅增加了成本，而且也難以安裝。10BASE-T1S 專為使用單對電線而開發(fā)，因此更小巧、更易使用，成本也明顯更低。

除了實時性能和確定性之外，在惡劣且嘈雜的電氣環(huán)境下可靠工作是工業(yè)網(wǎng)絡的一個關鍵要求。舊的以太網(wǎng)標準設計不具備電磁兼容性 (EMC)，而 10BASE-T1S 在設計時考慮到這些惡劣的環(huán)境因素。因此，與其他工業(yè)網(wǎng)絡相比，10BASE?T1S 具有出色的 EMC 性能。如今，即便使用非屏蔽單對線纜，也可以利用 10BASE-T1S 設計出滿足 3 類 IEC61000-4-6 EMI 要求（10 Vrms 共模噪聲注入）的系統(tǒng)。PLCA 是提高電磁抗擾性的關鍵因素，因為消除沖突有助于物理層收發(fā)器使用先進技術(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)設施運營商將會因 10BASE-T1S 在許多方面受益匪淺。在工廠環(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(shù)據(jù)鏈路層連接各種現(xiàn)場總線協(xié)議。這些節(jié)點以較低的數(shù)據(jù)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(diào)執(zhí)行器、風扇、電壓監(jiān)控器、電源轉(zhuǎn)換器以及其他模塊）連接至控制柜。10BASE-T1S 的多點能力允許將這些設備連接至單根共享線纜，這意味著，我們可以在不影響整體網(wǎng)絡性能或不會導致進程停止的情況下移除（或更換）這些設備，從而大大簡化網(wǎng)絡維護，降低網(wǎng)絡維護成本。用 10BASE-T1S 取代傳統(tǒng)多點工業(yè)網(wǎng)絡還可消除對大型交換機、網(wǎng)關和協(xié)議轉(zhuǎn)換器的需求，以及支持這些設備所需的額外線纜和功率需求。

 三 二合一MAC PHY收發(fā)器

典型的 10BASE-T1S 以太網(wǎng) PHY 控制器只提供通過非屏蔽單對線纜傳輸和接收數(shù)據(jù)所需的物理層功能，并支持通過獨立的標準介質(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，它將媒體訪問控制器 (MAC)、PLCA 協(xié)調(diào)子層 (RS) 與 10BASE-T1S PHY 整合在單個封裝，因此無需使用這種雙層設計方法。這意味著，它可提供通過單一的非屏蔽雙絞線傳輸和接收數(shù)據(jù)所需的所有物理層功能，并可通過 Open Alliance 的 MACPHY SPI 協(xié)議與主機 MCU 通信。通過將 PHY 和 MAC 集成在單個 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（無集成 MAC）搭配使用。這不僅顯著降低了復雜性，還支持在系統(tǒng)初始安裝后靈活地重新配置節(jié)點。

圖 3：安森美的 NCN26010 10BASE-T1S 收發(fā)器

NCN26010 還具有另外兩個顯著優(yōu)勢。第一個優(yōu)勢：它具有增強的抗噪模式和出色的誤碼率 (BER)，同時通過了 IEC6100-4-6 在 10 Vrms 條件下進行的抗擾度測試，確保在嘈雜的工廠環(huán)境下能夠進行可靠的信號檢測。此功能使 NCN26010 能夠在長達 50 米的線纜上部署 8 個節(jié)點（IEEE 802.3cg 標準要求的 2 倍）。第二個優(yōu)勢：該器件的線路引腳電容更低，最多可將 40 個節(jié)點連接至一根 25 米長的單對電纜上（超出 IEEE 802.3cg 標準 5 倍）。NCN26010 還可通過采用以太網(wǎng)的分層法來降低軟件維護成本，因此更改以太網(wǎng) PHY 不會影響上部軟件層。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，該收發(fā)器還可用于樓宇自動化（電梯和智能傳感器）、街道照明、鐵路運輸以及其他汽車應用。

 四 云-邊緣互聯(lián)

從最初主要用于連接計算設備到現(xiàn)在的許多形式，以太網(wǎng)已經(jīng)取得了相當大的發(fā)展，能夠滿足許多不同應用的速度和距離要求。10BASE-T1S 彌補了工廠車間中多點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)營銷 / 有線互聯(lián)業(yè)務部 Arndt Schuebel