10BASE-T1L MAC-PHY如何簡化低功耗處理器以太網(wǎng)連接

簡介

本文介紹如何利用10BASE-T1L MAC-PHY連接越來越多的低功耗現(xiàn)場設(shè)備和邊緣設(shè)備。此外，本文還將詳細(xì)說明何時(shí)使用MAC-PHY與10BASE-T1L PHY以及這些系統(tǒng)如何滿足未來的以太網(wǎng)互聯(lián)制造和樓宇安裝要求。

背景信息

隨著越來越多的設(shè)備需要接入以太網(wǎng)，流程、工廠和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用中的單對以太網(wǎng)10BASE-T1L用例（包括以太網(wǎng)APL）不斷擴(kuò)展。隨著互聯(lián)設(shè)備增加，更高級別的管理系統(tǒng)可以使用更豐富的數(shù)據(jù)集，從而使生產(chǎn)效率得以顯著提高，同時(shí)降低了運(yùn)營成本和能耗。以太網(wǎng)至現(xiàn)場或邊緣的愿景是將所有傳感器和執(zhí)行器連接到一個(gè)融合IT/OT網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)這一愿景存在系統(tǒng)工程方面的挑戰(zhàn)，因?yàn)槠渲幸恍﹤鞲衅魇芄β屎涂臻g的限制。適用于傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用、具備強(qiáng)大內(nèi)部存儲(chǔ)功能的低功耗、超低功耗微控制器市場需求日益增長。但大多數(shù)這樣的處理器都有同樣的問題，那就是沒有集成的以太網(wǎng)MAC，不支持MII、RMII或RGMII媒體獨(dú)立（以太網(wǎng)）接口。傳統(tǒng)的PHY無法與這些處理器相連。

為什么要使用10BASE-T1L MAC-PHY？

為了與更多低功耗設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程以太網(wǎng)連接，需要用到10BASE-T1L MAC-PHY。借助10BASE-T1L MAC-PHY，可以通過SPI將以太網(wǎng)和處理器連接在一起，從而減輕處理器的負(fù)擔(dān)。MAC功能現(xiàn)在直接與10BASE-T1L PHY集成。10BASE-T1L MAC-PHY支持各種超低功耗處理器，為設(shè)備架構(gòu)師提供靈活的選擇。通過優(yōu)化應(yīng)用分區(qū)，10BASE-T1L MAC-PHY可以利用流程自動(dòng)化中的以太網(wǎng)APL來實(shí)現(xiàn)更低功耗的現(xiàn)場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)區(qū)域0本質(zhì)安全部署。在智能樓宇應(yīng)用中，MAC-PHY可將更多較低功耗的設(shè)備連接到同一個(gè)以太網(wǎng)。智能樓宇應(yīng)用包括HVAC系統(tǒng)、消防安全系統(tǒng)、門禁、IP攝像機(jī)、電梯系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)控。

圖1.10BASE-T1L MAC-PHY可以通過高級包過濾明顯降低設(shè)備的功耗和復(fù)雜度。

10BASE-T1L MAC-PHY高級包過濾

集成了MAC功能的10BASE-T1L PHY可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)上的以太網(wǎng)流量。具備高級包過濾功能的10BASE-T1L MAC-PHY可以大幅減少處理廣播和多播通信的開銷，把處理器從這個(gè)任務(wù)中解放出來。按目標(biāo)MAC地址進(jìn)行過濾是關(guān)鍵。MAC-PHY可以對多達(dá)16個(gè)單播或多播MAC地址進(jìn)行過濾，而不僅僅是單個(gè)MAC地址。此外，地址掩碼可支持兩個(gè)MAC地址。這提供了很大的自由度，過濾可用于設(shè)備地址和共同支持的多播地址，例如鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(LLDP)。通過為優(yōu)先級更高的消息提供額外的隊(duì)列，可以優(yōu)先處理某些消息，從而改善延遲，增強(qiáng)魯棒性。幀的優(yōu)先級可以通過MAC過濾表來識(shí)別。例如，可以將廣播消息送入優(yōu)先級較低的隊(duì)列、將單播消息送入優(yōu)先級較高的隊(duì)列，從而防止接收器因廣播風(fēng)暴或流量激增而發(fā)生過載。這些MAC-PHY過濾特性可以增強(qiáng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載魯棒性。MAC還收集幀統(tǒng)計(jì)信息，以便于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量和鏈路質(zhì)量（見圖1）。

MAC-PHY中的MAC還支持IEEE 1588；因此，流程自動(dòng)化需要802.1AS時(shí)鐘同步。MAC-PHY支持同步計(jì)數(shù)器、接收消息的時(shí)間戳和發(fā)送消息的時(shí)間戳捕獲。這大幅降低了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，因?yàn)槌薓AC-PHY本身之外，不需要額外的硬件就能實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。MAC可生成定時(shí)到同步計(jì)數(shù)器的輸出波形，因此，可用于同步外部應(yīng)用級操作。SPI接口支持Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY串行接口。Open Alliance SPI是一種新型高效SPI協(xié)議，專為MAC-PHY而設(shè)計(jì)。

何時(shí)使用10BASE-T1L MAC-PHY和10BASE-T1L PHY？

10BASE-T1L PHY和10BASE-T1L MAC-PHY在不同的用例中各有明顯優(yōu)勢。在功率關(guān)鍵型應(yīng)用中，10BASE-T1L MAC-PHY在主處理器的選擇上提供了更大的靈活性，可以采用未集成MAC的超低功耗處理器來實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)功耗。在對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行升級以提高以太網(wǎng)連接性時(shí)，10BASE-T1L MAC-PHY提供了通過SPI端口重新利用現(xiàn)有處理器和提高以太網(wǎng)連接性的方法，無需遷移到集成MAC的更大處理器。

對于現(xiàn)場或邊緣設(shè)備需要高性能處理器（可能已集成MAC）的高性能應(yīng)用來說，10BASE-T1L PHY結(jié)合MII、RMII和RGMII接口支持快速開發(fā)10BASE-T1L PHY。通過重新利用現(xiàn)有MAC接口驅(qū)動(dòng)程序來添加以太網(wǎng)連接性便可實(shí)現(xiàn)（見圖2）。

圖2.實(shí)現(xiàn)10BASE-T1L連接的MAC-PHY與PHY優(yōu)勢對比

提高了未來以太網(wǎng)互聯(lián)流程安裝的靈活性

滿足未來的以太網(wǎng)互聯(lián)制造安裝要求。超低功耗設(shè)備和高性能設(shè)備可以同時(shí)部署在同一個(gè)以太網(wǎng)上，且符合危險(xiǎn)區(qū)域用例要求的嚴(yán)格最大功率限制。10BASE-T1L功率開關(guān)和10BASE-T1L現(xiàn)場開關(guān)需要將魯棒低功耗10BASE-T1L PHY與工業(yè)以太網(wǎng)開關(guān)結(jié)合，以部署干線和和支線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌M(jìn)而在單條雙絞線上同時(shí)提供功率和數(shù)據(jù)（包括危險(xiǎn)區(qū)域用例）。

現(xiàn)場設(shè)備連接既需要10BASE-T1L PHY，又需要10BASE-T1L MAC-PHY，以便實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與各種現(xiàn)場設(shè)備的連接。包括流量計(jì)在內(nèi)的較高功率現(xiàn)場設(shè)備采用集成MAC和10BASE-T1L PHY的高性能處理器。較低功耗現(xiàn)場設(shè)備，包括內(nèi)置未集成MAC的超低功耗處理器的溫度傳感器，采用10BASE-T1L MAC-PHY，通過SPI接口與處理器相連，從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接（見圖3）。

10BASE-T1L PHY和10BASE-T1L MAC-PHY的關(guān)鍵特性對比

ADIN1110（ADI公司的10BASET1L PHY）可通過SPI接口與主機(jī)處理器連接，從而實(shí)現(xiàn)功耗更低的以太網(wǎng)連接，其功耗僅為42 mW。ADIN1110支持Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY串行接口，以25 MHz時(shí)鐘速度實(shí)現(xiàn)全雙工SPI通信。ADIN1100（ADI公司的10BASE-T1L PHY）可通過MII、RMII或RGMII MAC接口與主機(jī)處理器連接，從而實(shí)現(xiàn)低功耗的以太網(wǎng)連接，其功耗僅為39 mW。ADIN1100 10BASE-T1L PHY與ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY的對比如圖1所示。這兩款產(chǎn)品以全雙工、直流平衡、點(diǎn)對點(diǎn)通信方案的10BASE-T1L核心功能為基礎(chǔ)，在7.5 MBd符號(hào)速率和4B3T編碼下采用PAM 3調(diào)制。10BASE-T1L支持兩種幅度模式：長達(dá)1 km電纜的2.4 V峰峰值和更短距離下的1.0 V峰峰值。1.0 V峰峰值幅度模式是指，這項(xiàng)新的物理層技術(shù)也可在防爆系統(tǒng)環(huán)境中使用，并符合嚴(yán)格的最大能源限制。

表1.ADIN1100 PHY與ADIN1110 MAC-PHY對比

圖3.用于流程自動(dòng)化的采用10BASE-T1L MAC-PHY和10BASE-T1L PHY的干線和支線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

小結(jié)

10 Mb以太網(wǎng)物理層(10BASE-T1L)在長達(dá)1 km的單條雙絞線上融合功率輸出(Engineered Power/PoDL/SPoE)，形成能夠產(chǎn)生更有價(jià)值信息的新型以太網(wǎng)連接設(shè)備，而這些信息通過融合IT/OT以太網(wǎng)更容易獲取。在流程自動(dòng)化和工廠自動(dòng)化的應(yīng)用中，這些新的信息有助于提高生產(chǎn)效率、降低能耗。在樓宇自動(dòng)化應(yīng)用中，這些新的信息有助于提高能效、安全性和舒適性。因此，10BASE-T1L MAC-PHY將加速實(shí)現(xiàn)更低功耗的設(shè)備。