世界熱頭條丨單對以太網的推出恰逢其時

2022-12-28 12:09:03 來源: 電子創新網

Microchip Technology Inc.

高級經理

Henry Muyshondt

(資料圖片僅供參考)

對于低數據速率設備，工業設施和汽車制造商需要一種經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引入到網絡的最邊緣

它為什么完全符合分區架構的趨勢

它將如何降低布線復雜性并實現車輛工廠自動化

世界上充斥著大量數據通信協議，其中大多數都是為了提供盡可能高的數據速率而設計的。但是，絕大多數設備（例如，開關和執行器）都很簡單，不會產生海量數據，因此不需要高速通信。世界上有數十億這樣的設備，并且其數量還在呈指數級增長。一段時間以來，人們需要的是一種簡單、低成本的數據通信解決方案，同時它還要能夠為工業、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布線引入到網絡邊緣。

這項標準由IEEE任務組發起，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電纜實現10 Mbps的數據速率。他們還希望在較短距離上實現多點通信功能。盡管10 Mbps聽起來不算多快，但對于控制開關、繼電器、執行器或機械臂以及許多其他設備而言已經足夠，并且在當時，“工業以太網”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、開關端口和收發器。這種解決方案將使用以太網實現從最低到最高的所有速度。最終，大多數人都如愿以償，結果是以太網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（SPE）的范疇。傳輸介質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、多點通信網絡，并且避免了多點通信混合段中發生載波偵聽多路訪問與沖突檢測（CSMA/CD）問題。

CSMA/CD可能會表現出由數據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，傳輸周期從協調器節點（節點0）發送的信標開始，網絡節點使用該信標進行同步。

在發送信標后，傳輸機會將傳遞給節點1。如果該節點沒有要發送的數據，則將傳輸機會讓給節點2，依此類推，這一過程持續進行，直到為每個節點提供至少一次傳輸機會。然后，協調器節點會發起一個新周期，并發送另一個信標。為了防止節點阻塞總線，jabber功能會在節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點。結果是對數據吞吐量沒有影響，總線上也沒有發生數據沖突。

圖1. 物理層防沖突（PLCA）

兩種解決方案都有可觀的好處，最重要的是以太網在全球范圍內廣泛用于信息技術（IT）和操作技術（OT）領域，同時受到數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構。這意味著在系統中使用以太網作為主要通信協議時，不需要協議轉換和執行協議轉換所需的網關。

從最簡單的低數據速率交換機到高數據速率傳感器（例如，能產生大量數據并需要Gbps速度的攝像頭），任何類型的設備都可以在不進行轉換的情況下得到支持。這些設備均可在以太網交換機中聚合，并用以太網的最高數據速率發送到云端進行處理和分析。

圖2. 從邊緣到云端的以太網

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，則為大多數功能采用單一協議可帶來極大的優勢。每個車型年份都會對ADAS系統進行增強，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億行代碼的要求（目前采用1億行代碼），汽車行業正在向基于以太網的分區電子/電氣（E/E）架構過渡，這種架構將傳感器聚合到從分區網關到主干的單鏈路中。

圖3. 網絡大趨勢

它幾乎完全基于以太網，其即插即用功能特別適合未來定義車輛的服務導向型環境。設備可以實時連接和斷開，而不會停機，這是CAN總線的顯著優勢。也就是說，CAN總線多年來一直為汽車行業提供優質服務，并將繼續為其最適合的應用提供服務，因此它可能會存在很多年。

行業解決方案

盡管汽車行業將從10BASE-T1S中獲益最多，但出于以下幾個原因，工業領域也可從10BASE-T1S和10BASE-T1L中獲益匪淺。首先，工業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執行器、電梯、風扇、電壓監視器、直流到直流轉換器和其他模塊以及計算機背板等一切內容。其中許多設備僅需要低數據速率，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，在物聯網中發揮關鍵作用。正如許多早期采用者所了解的那樣，將無線應用于物聯網聽起來容易，但實現起來非常困難。這些解決方案顯然將在工業物聯網中發揮巨大作用，但考慮到以太網的優勢，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，因此可以通過單一標準實現從云端到邊緣的移動。還有一點非常重要，即隨著工業發展到第四代，分區方法也在該市場中得到應用，而以太網是首選解決方案。還有一些其他優勢，但僅僅這些就足以讓SPE極具吸引力。

首款收發器

實現10BASE-T1S需要為其提供支持的以太網收發器，而為10BASE-T1S提供服務的首款產品是Microchip的LAN867x系列以太網收發器。LAN8670/1/2允許創建多點通信和點對點網絡拓撲。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公共混合段的收發器。請注意，這是IEEE規范中的“最小最大值”。當系統實現者驗證正確的操作時，發現可以支持更多節點和更遠距離。收發器由單個3.3 VDC電源供電，并具有集成的1.8 VDC穩壓器，其溫度范圍為-40°C到+125°C，且符合工業EMC和EMI要求，適用于惡劣環境。

LAN8670/1/2支持通過標準MII/RMII接口與以太網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高帶寬利用率，并支持在突發模式下傳輸多個數據包，適用于高數據包速率、延時敏感型應用。

為了讓設計人員更輕松地轉移到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節點，并且它隨附適用于Linux和Windows的驅動程序。此外，Microchip的MPLAB^?Harmony開發框架還支持將10BASE-T1S技術與Microchip單片機和微處理器集成。

總結

IEEE 802.3cg SPE標準的發布恰逢工業4.0初具雛形之時。工業4.0和汽車行業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都為將以太網覆蓋范圍擴展到網絡邊緣鋪平了道路，同時為使用簡易雙芯電纜且無需千兆速度的低數據速率設備提供支持。簡而言之，它擁有顯著改變這些設備在工業環境和各種車輛中的連接方式的潛力。

關鍵詞：解決方案多點通信提供服務沖突檢測低成本的

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