在開發(fā)全新數(shù)據(jù)通訊協(xié)議時，通常關(guān)注的重點(diǎn)是進(jìn)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(yīng)用中的許多感測器和執(zhí)行器正常運(yùn)行，需要的不僅僅是更快的數(shù)據(jù)速率而已。

這些「邊緣」設(shè)備目前使用大量的傳統(tǒng)多點(diǎn)通訊協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)，使得原始設(shè)備製造商（OEM）支持這些設(shè)備將面臨更複雜的境況，並且成本隨之增加。為此，IEEE 成立了一個工作小組，研究短距離聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如何通過單對乙太網(wǎng)路（SPE）線纜實(shí)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(lǐng)域的需求。

圖1 : 工業(yè) 4.0 對工業(yè)網(wǎng)路提出了新要求（source：onsemi）

這一切最終促成了 2019 年 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)佈，現(xiàn)在該標(biāo)準(zhǔn)為「邊緣」應(yīng)用帶來了SPE的優(yōu)勢。在本文中，闡述開發(fā)10BASE-T1S（基於這一新標(biāo)準(zhǔn)的 SPE 短距離版本）發(fā)展的驅(qū)動因素，然後介紹安森美（onsemi）全新乙太網(wǎng)路收發(fā)器的功能，該收發(fā)器可為工業(yè)自動化、樓宇自動化和以及其他應(yīng)用提供10BASE-T1S的優(yōu)勢。

設(shè)置工業(yè) SPE的應(yīng)用場景

儘管當(dāng)前某些點(diǎn)對點(diǎn)類型的單對乙太網(wǎng)路能夠快速提供（並超越）工業(yè)應(yīng)用所需數(shù)據(jù)速率，但現(xiàn)有的多點(diǎn)類型無法提供移動機(jī)器人和執(zhí)行器所需的確定性，做到近乎即時回應(yīng)輸入。這是因?yàn)檫@些類型使用載波偵測多重存取與碰撞偵測（CSMA/CD） 來調(diào)節(jié)對多點(diǎn)網(wǎng)路中共享介質(zhì)（線纜）的訪問。

CSMA/CD存在數(shù)據(jù)衝突引起的隨機(jī)延遲，因此無法保證設(shè)備能夠在規(guī)定的時間間隔內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)並與接收器可靠的通訊。為解決這一缺點(diǎn)，目前開發(fā)出一種用於 10BASE-T1S 的介質(zhì)訪問控制調(diào)節(jié)新方法。

10BASE-T1S 是一種網(wǎng)路協(xié)議，旨在通過長達(dá)25 m的線纜以高達(dá)10Mb/s的速率實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊。物理層衝突避免（PLCA）可保證半雙工多點(diǎn)網(wǎng)路中的最大延遲。PLCA傳輸週期從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn) 0）發(fā)送信標(biāo)開始到其他網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)同步結(jié)束。發(fā)送信標(biāo)後，傳輸選擇權(quán)就會轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn) 1。如果該節(jié)點(diǎn)沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，選擇權(quán)就會轉(zhuǎn)至節(jié)點(diǎn) 2。此過程會一直持續(xù)到每個節(jié)點(diǎn)都獲得了至少一次傳輸機(jī)會 （TO） 為止。然後，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會通過發(fā)送另一個信標(biāo)的方式重新啟動傳輸週期。

為防止節(jié)點(diǎn)阻斷匯流排，每個傳輸機(jī)會只允許傳輸一定數(shù)量的幀，取決於突發(fā)模式設(shè)置控制，默認(rèn)為每個傳輸機(jī)會（TO）1幀，但也可以設(shè)置為每個TO 128幀。匯流排不會出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)衝突，因此吞吐量不會受到任何影響。

圖2 : PLCA 介質(zhì)訪問控制週期（source：onsemi）

佈線是在工業(yè)環(huán)境中部署傳統(tǒng)乙太網(wǎng)路的另一個障礙。標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路線纜有四對電線，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。

除了即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)路的一個關(guān)鍵要求。舊的乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)不具備電磁相容性（EMC），而10BASE-T1S在設(shè)計(jì)時考慮到這些惡劣的環(huán)境因素。因此，與其他工業(yè)網(wǎng)路相比，10BASE T1S具有出色的 EMC性能。

如今，即便使用無屏蔽單對線纜，也可以利用10BASE-T1S設(shè)計(jì)出滿足3類 IEC61000-4-6 EMI 要求（10 Vrms 共模雜訊注入）的系統(tǒng)。PLCA 是提高電磁抗擾性的關(guān)鍵因素，因?yàn)橄n突有助於物理層收發(fā)器使用先進(jìn)技術(shù)，這樣在電氣雜訊比較大的環(huán)境下也能恢復(fù)訊號。

工業(yè)邊緣的 SPE

工業(yè)設(shè)備原始設(shè)備製造商和工業(yè)設(shè)施營運(yùn)商將會因10BASE-T1S在許多方面受益匪淺。在工廠環(huán)境下，許多通訊技術(shù)通常在物理層（PHY）連接設(shè)備（RS-485、UART），在資料鏈路層連接各種現(xiàn)場匯流排協(xié)議。這些節(jié)點(diǎn)以較低的數(shù)據(jù)速率將所有部件（包括溫度和壓力感測器、機(jī)器人和暖通空調(diào)（HVAC）執(zhí)行器、風(fēng)扇、電壓監(jiān)控器、電源轉(zhuǎn)換器及其他模組）連接至控制櫃。

10BASE-T1S的多點(diǎn)能力允許將這些設(shè)備連接至單根共用線纜，這意味著可以在不影響整體網(wǎng)路性能或不會導(dǎo)致進(jìn)程停止的情況下移除（或更換）這些設(shè)備，從而大大簡化網(wǎng)路維護(hù)，降低網(wǎng)路維護(hù)成本。用10BASE-T1S取代傳統(tǒng)多點(diǎn)工業(yè)網(wǎng)路還可消除對大型交換機(jī)、閘道和協(xié)議轉(zhuǎn)換器的需求，以及支持這些設(shè)備所需的額外佈線和功率需求。

二合一 MACPHY 收發(fā)器

典型的 10BASE-T1S 乙太網(wǎng)路PHY控制器只提供通過無屏蔽單對線纜傳輸和接收數(shù)據(jù)所需的物理層功能，並支持通過獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)（MII）與 MAC 通訊。然而安森美的NCN26010（圖 3）是一款符合IEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的乙太網(wǎng)路收發(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(shè)計(jì)方法。

這意味著它可提供通過單一的無屏蔽雙絞線傳輸和接收數(shù)據(jù)所需的所有物理層功能，並可通過開放聯(lián)盟（Open Alliance）的MACPHY SPI 協(xié)議與主機(jī) MCU通訊。通過在單個MACPHY設(shè)備中整合PHY和 MAC，可以將乙太網(wǎng)路與感測器以及其他使用中低端 MCCU的工業(yè)設(shè)備（無整合 MAC）搭配使用。這不僅顯著降低了複雜性，並提供在系統(tǒng)初始安裝後重新配置節(jié)點(diǎn)的靈活性。

圖3 : NCN26010 10BASE-T1S 收發(fā)器（source：onsemi）

NCN26010還具有另外兩個顯著優(yōu)勢：

優(yōu)勢一

它具有增強(qiáng)的抗噪模式和出色的誤碼率（BER）性能，同時通過了IEC6100-4-6在10 Vrms條件下進(jìn)行的抗擾度測試，確保在嘈雜的工廠環(huán)境下能夠進(jìn)行可靠的訊號檢測。此功能使NCN26010能夠在長達(dá)50 m的線纜上部署8個節(jié)點(diǎn)（IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)要求的2倍）。

優(yōu)勢二

該元件的線路引腳電容更低，最多可將40個節(jié)點(diǎn)連接至一根25 m長的單對電纜上（超出IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)5倍）。NCN26010還可通過採用乙太網(wǎng)路的分層法來降低軟體維護(hù)成本，因此更改乙太網(wǎng)路PHY不會影響上部軟體層。NCN26010收發(fā)器可採用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)器還可用於樓宇自動化（電梯和智慧感測器）、街道照明、鐵路運(yùn)輸，以及其他汽車應(yīng)用。

雲(yún)-邊緣互聯(lián)

從最初主要用於連接計(jì)算設(shè)備到現(xiàn)在的許多形式，乙太網(wǎng)路已經(jīng)取得了相當(dāng)大的發(fā)展，能夠滿足許多不同應(yīng)用的速度和距離要求。10BASE-T1S彌補(bǔ)了工廠車間中多點(diǎn)確定性應(yīng)用以及其他邊緣應(yīng)用所需的缺失鏈路。

（本文作者Arndt Schuebel於安森美技術(shù)行銷暨應(yīng)用I4.0有線互聯(lián)業(yè)務(wù)部）