工业4.0时代，单对以太网如何颠覆传统工厂车间？

在开发全新数据通信协议时，通常关注的重点是进一步提高数据速率。然而，要确保工业和楼宇自动化应用中的许多传感器和执行器正常运行，我们需要的不仅仅是更快的数据速率。目前，这些“边缘”设备使用大量的传统多点通信协议进行互联，使得原始设备制造商 (OEM) 支持这些设备将面临更复杂的境况，并且成本随之增加。为此，IEEE 成立了一个工作小组，研究短距离联网技术如何通过单对以太网 (SPE) 线缆实现 10 Mb/s 的数据速率，以满足工业 4.0、汽车以及其他市场领域的需求。

这一切最终促成了 2019 年 IEEE 802.3cg 标准的发布，现在该标准为“边缘”应用带来了 SPE 的优势。在本文中，我们首先阐述开发 10BASE-T1S（基于这一新标准的 SPE 短距离版本）的驱动因素，然后介绍安森美 (onsemi) 全新以太网收发器的功能，该收发器可为工业自动化、楼宇自动化和其他应用提供 10BASE-T1S 的优势。

图 1：工业 4.0 对工业网络提出了新要求

 一 设置工业SPE的应用场景

尽管当前某些点对点类型的单对以太网能够快速提供（并超越）工业应用所需数据速率，但现有的多点类型无法提供移动机器人和执行器所需的确定性，做到近乎实时地响应输入。这是因为这些类型使用载波侦听多路访问/冲突检测 (CSMA/CD) 来调节对多点网络中共享介质（线缆）的访问。CSMA/CD 存在数据冲突引起的随机延迟，因此无法保证设备能够在规定的时间间隔内传输数据并与接收器可靠通信。针对这个缺点，目前开发出一种用于 10BASE-T1S 的介质访问控制调节新方法。10BASE-T1S 是一种网络协议，旨在通过最长 25 米的线缆实现数据速率高达 10Mb/s 的多点数据通信。物理层冲突避免 (PLCA) 可保证半双工多点网络中的最大延迟。PLCA 传输周期从协调器节点（节点 0）发送信标开始到其他网络节点同步结束。发送信标后，传输选择权就会转至节点 1。如果该节点没有要发送的数据，选择权就会转至节点 2。这个过程会一直持续到每个节点都获得了至少一次传输机会 (TO) 为止。然后，协调器节点会通过发出另一个信标的方式重新开始传输周期。为防止节点阻断总线，每个传输机会只允许传输一定数量的帧，取决于突发模式设置，默认为每个传输机会 (TO) 1 帧，但也可以设置为每个 TO 128 帧。总线不会出现任何数据冲突，因此吞吐量不会受到任何影响。

图 2：PLCA 介质访问控制周期

布线是在工业环境中部署传统以太网的另一个障碍。标准以太网线缆有四对电线，不仅增加了成本，而且也难以安装。10BASE-T1S 专为使用单对电线而开发，因此更小巧、更易使用，成本也明显更低。

除了实时性能和确定性之外，在恶劣且嘈杂的电气环境下可靠工作是工业网络的一个关键要求。旧的以太网标准设计不具备电磁兼容性 (EMC)，而 10BASE-T1S 在设计时考虑到这些恶劣的环境因素。因此，与其他工业网络相比，10BASE‑T1S 具有出色的 EMC 性能。如今，即便使用非屏蔽单对线缆，也可以利用 10BASE-T1S 设计出满足 3 类 IEC61000-4-6 EMI 要求（10 Vrms 共模噪声注入）的系统。PLCA 是提高电磁抗扰性的关键因素，因为消除冲突有助于物理层收发器使用先进技术，这样在电气噪声比较大的环境下也能恢复信号。

 二 工艺边缘的SPE

工业设备原始设备制造商和工业设施运营商将会因 10BASE-T1S 在许多方面受益匪浅。在工厂环境下，许多通信技术通常在物理层 (PHY) 连接设备（RS-485、UART），在数据链路层连接各种现场总线协议。这些节点以较低的数据速率将所有部件（包括温度和压力传感器、机器人和暖通空调执行器、风扇、电压监控器、电源转换器以及其他模块）连接至控制柜。10BASE-T1S 的多点能力允许将这些设备连接至单根共享线缆，这意味着，我们可以在不影响整体网络性能或不会导致进程停止的情况下移除（或更换）这些设备，从而大大简化网络维护，降低网络维护成本。用 10BASE-T1S 取代传统多点工业网络还可消除对大型交换机、网关和协议转换器的需求，以及支持这些设备所需的额外线缆和功率需求。

 三 二合一MAC PHY收发器

典型的 10BASE-T1S 以太网 PHY 控制器只提供通过非屏蔽单对线缆传输和接收数据所需的物理层功能，并支持通过独立的标准介质(MII) 与 MAC 通信。但是，安森美的 NCN26010（图 3）是一款符合 IEE 802.3cg 标准的以太网收发器，它将媒体访问控制器 (MAC)、PLCA 协调子层 (RS) 与 10BASE-T1S PHY 整合在单个封装，因此无需使用这种双层设计方法。这意味着，它可提供通过单一的非屏蔽双绞线传输和接收数据所需的所有物理层功能，并可通过 Open Alliance 的 MACPHY SPI 协议与主机 MCU 通信。通过将 PHY 和 MAC 集成在单个 MACPHY 设备中，可以将以太网与传感器以及其他使用中低端 MCU 的工业设备（无集成 MAC）搭配使用。这不仅显著降低了复杂性，还支持在系统初始安装后灵活地重新配置节点。

图 3：安森美的 NCN26010 10BASE-T1S 收发器

NCN26010 还具有另外两个显著优势。第一个优势：它具有增强的抗噪模式和出色的误码率 (BER)，同时通过了 IEC6100-4-6 在 10 Vrms 条件下进行的抗扰度测试，确保在嘈杂的工厂环境下能够进行可靠的信号检测。此功能使 NCN26010 能够在长达 50 米的线缆上部署 8 个节点（IEEE 802.3cg 标准要求的 2 倍）。第二个优势：该器件的线路引脚电容更低，最多可将 40 个节点连接至一根 25 米长的单对电缆上（超出 IEEE 802.3cg 标准 5 倍）。NCN26010 还可通过采用以太网的分层法来降低软件维护成本，因此更改以太网 PHY 不会影响上部软件层。NCN26010 收发器可采用4 mm x 4mm QFN32 薄型封装或 5mm x 5mm TQFP32 封装。除了工业工厂，该收发器还可用于楼宇自动化（电梯和智能传感器）、街道照明、铁路运输以及其他汽车应用。

 四 云-边缘互联

从最初主要用于连接计算设备到现在的许多形式，以太网已经取得了相当大的发展，能够满足许多不同应用的速度和距离要求。10BASE-T1S 弥补了工厂车间中多点确定性应用以及其他边缘应用所需的缺失链路。

本文作者：安森美技术营销 / 有线互联业务部 Arndt Schuebel