單對(duì)以太網(wǎng)的推出恰逢其時(shí)

對(duì)于低數(shù)據(jù)速率設(shè)備，工業(yè)設(shè)施和汽車制造商需要一種經(jīng)濟(jì)高效的連接解決方案，而10BASE-T1S和10BASE-T1L可提供低成本且簡(jiǎn)單的解決方案。

您將了解到：

該標(biāo)準(zhǔn)如何將以太網(wǎng)引入到網(wǎng)絡(luò)的最邊緣

它為什么完全符合分區(qū)架構(gòu)的趨勢(shì)

它將如何降低布線復(fù)雜性并實(shí)現(xiàn)車輛工廠自動(dòng)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(shè)計(jì)的。但是，絕大多數(shù)設(shè)備（例如，開(kāi)關(guān)和執(zhí)行器）都很簡(jiǎn)單，不會(huì)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(shè)備，并且其數(shù)量還在呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。一段時(shí)間以來(lái)，人們需要的是一種簡(jiǎn)單、低成本的數(shù)據(jù)通信解決方案，同時(shí)它還要能夠?yàn)楣I(yè)、汽車和其他市場(chǎng)中的所有此類設(shè)備提供服務(wù)。該解決方案已于2019年底以IEEE® 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的形式推出。我們將會(huì)看到，它具有巨大的潛力，因?yàn)樗蓪⒌统杀镜膯螌?duì)以太網(wǎng)布線引入到網(wǎng)絡(luò)邊緣。

這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE任務(wù)組發(fā)起，當(dāng)時(shí)他們正在研究如何提供一種可以覆蓋遠(yuǎn)距離的低速技術(shù)，并且這種技術(shù)可以通過(guò)單平衡對(duì)以太網(wǎng)電纜實(shí)現(xiàn)10 Mbps的數(shù)據(jù)速率。他們還希望在較短距離上實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信功能。盡管10 Mbps聽(tīng)起來(lái)不算多快，但對(duì)于控制開(kāi)關(guān)、繼電器、執(zhí)行器或機(jī)械臂以及許多其他設(shè)備而言已經(jīng)足夠，并且在當(dāng)時(shí)，“工業(yè)以太網(wǎng)”還無(wú)法以聚合的方式提供這些功能。

任務(wù)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(diǎn)通信功能，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到一根電纜，因而無(wú)需使用開(kāi)關(guān)，并且需要更少的線路、開(kāi)關(guān)端口和收發(fā)器。這種解決方案將使用以太網(wǎng)實(shí)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(dá)1 km的距離。而100BASE-T1和1000BASE-T1也被納入單對(duì)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(wù)器背板上的其他線對(duì)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(jiàn)表1）。

表1.連接標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

基礎(chǔ)知識(shí)

除了最大傳輸距離之外，10BASE-T1S和10BASE-T1L之間還有兩個(gè)主要區(qū)別。首先，只有10BASE-T1S提供多點(diǎn)通信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(dòng)化等需要固定性能的實(shí)時(shí)應(yīng)用中使用時(shí)的關(guān)鍵要素。PLCA專門設(shè)計(jì)用于10BASEase-T1S等半雙工、多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，并且避免了多點(diǎn)通信混合段中發(fā)生載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)與沖突檢測(cè)（CSMA/CD）問(wèn)題。

CSMA/CD可能會(huì)表現(xiàn)出由數(shù)據(jù)沖突引起的隨機(jī)延時(shí)。PLCA能夠提供克服這些限制的保證最大延時(shí)和其他特性。PLCA部署到位后，傳輸周期從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)0）發(fā)送的信標(biāo)開(kāi)始，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用該信標(biāo)進(jìn)行同步。

在發(fā)送信標(biāo)后，傳輸機(jī)會(huì)將傳遞給節(jié)點(diǎn)1。如果該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則將傳輸機(jī)會(huì)讓給節(jié)點(diǎn)2，依此類推，這一過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，直到為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供至少一次傳輸機(jī)會(huì)。然后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)起一個(gè)新周期，并發(fā)送另一個(gè)信標(biāo)。為了防止節(jié)點(diǎn)阻塞總線，jabber功能會(huì)在節(jié)點(diǎn)傳輸超過(guò)分配的時(shí)間時(shí)將其中斷，從而允許傳輸下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)果是對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量沒(méi)有影響，總線上也沒(méi)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(shù)（IT）和操作技術(shù)（OT）領(lǐng)域，同時(shí)受到數(shù)百家公司的充分認(rèn)可和支持。這種解決方案的成本相對(duì)較低且在不斷降低，自其推出以來(lái)，還通過(guò)每次迭代來(lái)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(shí)，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(guān)。

從最簡(jiǎn)單的低數(shù)據(jù)速率交換機(jī)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(shè)備都可以在不進(jìn)行轉(zhuǎn)換的情況下得到支持。這些設(shè)備均可在以太網(wǎng)交換機(jī)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(jìn)行處理和分析。

圖2.從邊緣到云端的以太網(wǎng)

對(duì)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(gè)應(yīng)用特定的標(biāo)準(zhǔn)，則為大多數(shù)功能采用單一協(xié)議可帶來(lái)極大的優(yōu)勢(shì)。每個(gè)車型年份都會(huì)對(duì)ADAS系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)，通常需要新的攝像頭、雷達(dá)、超聲波傳感器（未來(lái)還會(huì)有激光雷達(dá)），以及對(duì)信息娛樂(lè)和導(dǎo)航系統(tǒng)的改進(jìn)。

這導(dǎo)致了在當(dāng)今的車輛中，普遍具有40種不同的線束、80到100個(gè)電子控制單元（ECU）和300根電線（總長(zhǎng)2.5英里，重達(dá)250磅）。由于各種應(yīng)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(wèn)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(guò)渡，這種架構(gòu)將傳感器聚合到從分區(qū)網(wǎng)關(guān)到主干的單鏈路中。

圖3.網(wǎng)絡(luò)大趨勢(shì)

它幾乎完全基于以太網(wǎng)，其即插即用功能特別適合未來(lái)定義車輛的服務(wù)導(dǎo)向型環(huán)境。設(shè)備可以實(shí)時(shí)連接和斷開(kāi)，而不會(huì)停機(jī)，這是CAN總線的顯著優(yōu)勢(shì)。也就是說(shuō)，CAN總線多年來(lái)一直為汽車行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，并將繼續(xù)為其最適合的應(yīng)用提供服務(wù)，因此它可能會(huì)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(gè)原因，工業(yè)領(lǐng)域也可從10BASE-T1S和10BASE-T1L中獲益匪淺。首先，工業(yè)設(shè)施使用許多不同的通信技術(shù)來(lái)互連設(shè)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(fēng)扇、電壓監(jiān)視器、直流到直流轉(zhuǎn)換器和其他模塊以及計(jì)算機(jī)背板等一切內(nèi)容。其中許多設(shè)備僅需要低數(shù)據(jù)速率，而這些標(biāo)準(zhǔn)正是為它們而設(shè)計(jì)的。

雖然還沒(méi)有成為主要的討論話題，但它可以通過(guò)連接使用各種短程無(wú)線解決方案（例如ZigBee®、藍(lán)牙®或Wi-Fi®）的設(shè)備，在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。正如許多早期采用者所了解的那樣，將無(wú)線應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)聽(tīng)起來(lái)容易，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(shì)，它們不一定是惟一的解決方案。

其次，10BASE-T1S的多點(diǎn)通信能力允許連接、刪除或更換許多設(shè)備，而不會(huì)影響整體網(wǎng)絡(luò)性能，并且整個(gè)過(guò)程非常簡(jiǎn)單。最后，幾乎每個(gè)設(shè)施中都采用了以太網(wǎng)，因此可以通過(guò)單一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)從云端到邊緣的移動(dòng)。還有一點(diǎn)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(chǎng)中得到應(yīng)用，而以太網(wǎng)是首選解決方案。還有一些其他優(yōu)勢(shì)，但僅僅這些就足以讓SPE極具吸引力。

首款收發(fā)器

實(shí)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(wù)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(diǎn)通信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。它支持至?5 m的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路段，其多點(diǎn)通信模式支持至少八個(gè)連接到最長(zhǎng)25 m公共混合段的收發(fā)器。請(qǐng)注意，這是IEEE規(guī)范中的“最小最大值”。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)者驗(yàn)證正確的操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以支持更多節(jié)點(diǎn)和更遠(yuǎn)距離。收發(fā)器由單個(gè)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)4 MHz的條件下提供快速寄存器訪問(wèn)和配置。對(duì)物理介質(zhì)的訪問(wèn)由載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）或物理層防沖突（PLCA）進(jìn)行管理，PLCA通過(guò)避免物理層沖突來(lái)實(shí)現(xiàn)高帶寬利用率，并支持在突發(fā)模式下傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)包，適用于高數(shù)據(jù)包速率、延時(shí)敏感型應(yīng)用。

為了讓設(shè)計(jì)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(píng)估板，或者可以在用戶創(chuàng)建的設(shè)計(jì)中使用這些評(píng)估板。另一個(gè)評(píng)估板可以插入U(xiǎn)SB主機(jī)，以成為10BASE-T1S節(jié)點(diǎn)，并且它隨附適用于Linux和Windows的驅(qū)動(dòng)程序。此外，Microchip的MPLAB® Harmony開(kāi)發(fā)框架還支持將10BASE-T1S技術(shù)與Microchip單片機(jī)和微處理器集成。

總結(jié)

IEEE 802.3cg SPE標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布恰逢工業(yè)4.0初具雛形之時(shí)。工業(yè)4.0和汽車行業(yè)正在競(jìng)相簡(jiǎn)化其臃腫的連接問(wèn)題，同時(shí)每年也在增加更多傳感器和其他可連接設(shè)備。10BASE-T1S和10BASE-T1L都為將以太網(wǎng)覆蓋范圍擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣鋪平了道路，同時(shí)為使用簡(jiǎn)易雙芯電纜且無(wú)需千兆速度的低數(shù)據(jù)速率設(shè)備提供支持。簡(jiǎn)而言之，它擁有顯著改變這些設(shè)備在工業(yè)環(huán)境和各種車輛中的連接方式的潛力。