【導讀】在開發全新數據通信協議時，通常關注的重點是進一步提高數據速率。然而，要確保工業和樓宇自動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通信協議進行互聯，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，研究短距離聯網技術如何通過單對以太網 (SPE) 線纜實現 10 Mb/s 的數據速率，以滿足工業 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 標準的發布，現在該標準為“邊緣”應用帶來了 SPE 的優勢。在本文中，我們首先闡述開發 10BASE-T1S（基于這一新標準的 SPE 短距離版本）的驅動因素，然后介紹安森美 (onsemi) 全新以太網收發器的功能，該收發器可為工業自動化、樓宇自動化和其他應用提供 10BASE-T1S 的優勢。
圖 1：工業 4.0 對工業網絡提出了新要求
一 設置工業SPE的應用場景
盡管當前某些點對點類型的單對以太網能夠快速提供（并超越）工業應用所需數據速率，但現有的多點類型無法提供移動機器人和執行器所需的確定性，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) 來調節對多點網絡中共享介質（線纜）的訪問。CSMA/CD 存在數據沖突引起的隨機延遲，因此無法保證設備能夠在規定的時間間隔內傳輸數據并與接收器可靠通信。針對這個缺點，目前開發出一種用于 10BASE-T1S 的介質訪問控制調節新方法。10BASE-T1S 是一種網絡協議，旨在通過最長 25 米的線纜實現數據速率高達 10Mb/s 的多點數據通信。物理層沖突避免 (PLCA) 可保證半雙工多點網絡中的最大延遲。PLCA 傳輸周期從協調器節點（節點 0）發送信標開始到其他網絡節點同步結束。發送信標后，傳輸選擇權就會轉至節點 1。如果該節點沒有要發送的數據，選擇權就會轉至節點 2。這個過程會一直持續到每個節點都獲得了至少一次傳輸機會 (TO) 為止。然后，協調器節點會通過發出另一個信標的方式重新開始傳輸周期。為防止節點阻斷總線，每個傳輸機會只允許傳輸一定數量的幀，取決于突發模式設置，默認為每個傳輸機會 (TO) 1 幀，但也可以設置為每個 TO 128 幀。總線不會出現任何數據沖突，因此吞吐量不會受到任何影響。
圖 2：PLCA 介質訪問控制周期
布線是在工業環境中部署傳統以太網的另一個障礙。標準以太網線纜有四對電線，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，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境下可靠工作是工業網絡的一個關鍵要求。舊的以太網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境因素。因此，與其他工業網絡相比，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。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器使用先進技術，這樣在電氣噪聲比較大的環境下也能恢復信號。
二 工藝邊緣的SPE
工業設備原始設備制造商和工業設施運營商將會因 10BASE-T1S 在許多方面受益匪淺。在工廠環境下，許多通信技術通常在物理層 (PHY) 連接設備（RS-485、UART），在數據鏈路層連接各種現場總線協議。這些節點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，從而大大簡化網絡維護，降低網絡維護成本。用 10BASE-T1S 取代傳統多點工業網絡還可消除對大型交換機、網關和協議轉換器的需求，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收發器
典型的 10BASE-T1S 以太網 PHY 控制器只提供通過非屏蔽單對線纜傳輸和接收數據所需的物理層功能，并支持通過獨立的標準介質(MII) 與 MAC 通信。但是，安森美的 NCN26010（圖 3）是一款符合 IEE 802.3cg 標準的以太網收發器，它將媒體訪問控制器 (MAC)、PLCA 協調子層 (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據所需的所有物理層功能，并可通過 Open Alliance 的 MACPHY SPI 協議與主機 MCU 通信。通過將 PHY 和 MAC 集成在單個 MACPHY 設備中，可以將以太網與傳感器以及其他使用中低端 MCU 的工業設備（無集成 MAC）搭配使用。這不僅顯著降低了復雜性，還支持在系統初始安裝后靈活地重新配置節點。
圖 3：安森美的 NCN26010 10BASE-T1S 收發器
NCN26010 還具有另外兩個顯著優勢。第一個優勢：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 個節點（IEEE 802.3cg 標準要求的 2 倍）。第二個優勢：該器件的線路引腳電容更低，最多可將 40 個節點連接至一根 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的分層法來降低軟件維護成本，因此更改以太網 PHY 不會影響上部軟件層。NCN26010 收發器可采用4 mm x 4mm QFN32 薄型封裝或 5mm x 5mm TQFP32 封裝。除了工業工廠，該收發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
從最初主要用于連接計算設備到現在的許多形式，以太網已經取得了相當大的發展，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：安森美技術營銷 / 有線互聯業務部 Arndt Schuebel
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