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Microchip Technology Inc. 高級經(jīng)理 Henry Muyshondt 對于低數據速率設備，工業(yè)設施和汽車(chē)制造商需要一種經(jīng)濟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： • 該標準如何將以太網(wǎng)引入到網(wǎng)絡(luò )的最邊緣 • 它為什么完全符合分區架構的趨勢 • 它將如何降低布線(xiàn)復雜性并實(shí)現車(chē)輛工廠(chǎng)自動(dòng)化 世界上充斥著(zhù)大量數據通信協(xié)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(kāi)關(guān)和執行器）都很簡(jiǎn)單，不會(huì )產(chǎn)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(cháng)。一段時(shí)間以來(lái)，人們需要的是一種簡(jiǎn)單、低成本的數據通信解決方案，同時(shí)它還要能夠為工業(yè)、汽車(chē)和其他市場(chǎng)中的所有此類(lèi)設備提供服務(wù)。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(huì )看到，它具有巨大的潛力，因為它可將低成本的單對以太網(wǎng)布線(xiàn)引入到網(wǎng)絡(luò )邊緣。 這項標準由IEEE任務(wù)組發(fā)起，當時(shí)他們正在研究如何提供一種可以覆蓋遠距離的低速技術(shù)，并且這種技術(shù)可以通過(guò)單平衡對以太網(wǎng)電纜實(shí)現10 Mbps的數據速率。他們還希望在較短距離上實(shí)現多點(diǎn)通信功能。盡管10 Mbps聽(tīng)起來(lái)不算多快，但對于控制開(kāi)關(guān)、繼電器、執行器或機械臂以及許多其他設備而言已經(jīng)足夠，并且在當時(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(chē)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(xiàn)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)現從最低到最高的所有速度。最終，大多數人都如愿以?xún)�，結果是以太網(wǎng)10BASE-T1S可覆蓋至少25 m的距離，10BASE-T1L可覆蓋高達1 km的距離。而100BASE-T1和1000BASE-T1也被納入單對以太網(wǎng)（SPE）的范疇。傳輸介質(zhì)的范圍涵蓋一根雙絞線(xiàn)到PC板或服務(wù)器背板上的其他線(xiàn)對配置和并行走線(xiàn)。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(gè)主要區別。首先，只有10BASE-T1S提供多點(diǎn)通信和點(diǎn)對點(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(chē)、工業(yè)和樓宇自動(dòng)化等需要固定性能的實(shí)時(shí)應用中使用時(shí)的關(guān)鍵要素。PLCA專(zhuān)門(mén)設計用于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(fǎng)問(wèn)與沖突檢測（CSMA/CD）問(wèn)題。 CSMA/CD可能會(huì )表現出由數據沖突引起的隨機延時(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)調器節點(diǎn)（節點(diǎn)0）發(fā)送的信標開(kāi)始，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)使用該信標進(jìn)行同步。 在發(fā)送信標后，傳輸機會(huì )將傳遞給節點(diǎn)1。如果該節點(diǎn)沒(méi)有要發(fā)送的數據，則將傳輸機會(huì )讓給節點(diǎn)2，依此類(lèi)推，這一過(guò)程持續進(jìn)行，直到為每個(gè)節點(diǎn)提供至少一次傳輸機會(huì )。然后，協(xié)調器節點(diǎn)會(huì )發(fā)起一個(gè)新周期，并發(fā)送另一個(gè)信標。為了防止節點(diǎn)阻塞總線(xiàn)，jabber功能會(huì )在節點(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)節點(diǎn)。結果是對數據吞吐量沒(méi)有影響，總線(xiàn)上也沒(méi)有發(fā)生數據沖突。
圖1. 物理層防沖突（PLCA） 兩種解決方案都有可觀(guān)的好處，最重要的是以太網(wǎng)在全球范圍內廣泛用于信息技術(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(lái)，還通過(guò)每次迭代來(lái)保持其核心結構。這意味著(zhù)在系統中使用以太網(wǎng)作為主要通信協(xié)議時(shí)，不需要協(xié)議轉換和執行協(xié)議轉換所需的網(wǎng)關(guān)。 從最簡(jiǎn)單的低數據速率交換機到高數據速率傳感器（例如，能產(chǎn)生大量數據并需要Gbps速度的攝像頭），任何類(lèi)型的設備都可以在不進(jìn)行轉換的情況下得到支持。這些設備均可在以太網(wǎng)交換機中聚合，并用以太網(wǎng)的最高數據速率發(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) 對汽車(chē)制造商的益處 如果汽車(chē)制造商不僅要支持CAN總線(xiàn)，還要支持多個(gè)應用特定的標準，則為大多數功能采用單一協(xié)議可帶來(lái)極大的優(yōu)勢。每個(gè)車(chē)型年份都會(huì )對ADAS系統進(jìn)行增強，通常需要新的攝像頭、雷達、超聲波傳感器（未來(lái)還會(huì )有激光雷達），以及對信息娛樂(lè )和導航系統的改進(jìn)。 這導致了在當今的車(chē)輛中，普遍具有40種不同的線(xiàn)束、80到100個(gè)電子控制單元（ECU）和300根電線(xiàn)（總長(cháng)2.5英里，重達250磅）。由于各種應用所需的電纜類(lèi)型多種多樣，并且每種類(lèi)型都有其自己的要求，因此也面臨著(zhù)電磁兼容性（EMC）的問(wèn)題。 為了滿(mǎn)足汽車(chē)將很快采用數億行代碼的要求（目前采用1億行代碼），汽車(chē)行業(yè)正在向基于以太網(wǎng)的分區電子/電氣（E/E）架構過(guò)渡，這種架構將傳感器聚合到從分區網(wǎng)關(guān)到主干的單鏈路中。
圖3. 網(wǎng)絡(luò )大趨勢 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(chē)輛的服務(wù)導向型環(huán)境。設備可以實(shí)時(shí)連接和斷開(kāi)，而不會(huì )停機，這是CAN總線(xiàn)的顯著(zhù)優(yōu)勢。也就是說(shuō)，CAN總線(xiàn)多年來(lái)一直為汽車(chē)行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，并將繼續為其最適合的應用提供服務(wù)，因此它可能會(huì )存在很多年。 行業(yè)解決方案 盡管汽車(chē)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)設施使用許多不同的通信技術(shù)來(lái)互連設備，包括I2C到RS-485、UART和CAN等。它們連接從控制柜布線(xiàn)到溫度傳感器、HVAC執行器、電梯、風(fēng)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(méi)有成為主要的討論話(huà)題，但它可以通過(guò)連接使用各種短程無(wú)線(xiàn)解決方案（例如ZigBee®、藍牙®或Wi-Fi®）的設備，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(xiàn)應用于物聯(lián)網(wǎng)聽(tīng)起來(lái)容易，但實(shí)現起來(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，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)設施中都采用了以太網(wǎng)，因此可以通過(guò)單一標準實(shí)現從云端到邊緣的移動(dòng)。還有一點(diǎn)非常重要，即隨著(zhù)工業(yè)發(fā)展到第四代，分區方法也在該市場(chǎng)中得到應用，而以太網(wǎng)是首選解決方案。還有一些其他優(yōu)勢，但僅僅這些就足以讓SPE極具吸引力。 首款收發(fā)器 實(shí)現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)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )拓撲。它支持至少15 m的點(diǎn)對點(diǎn)鏈路段，其多點(diǎn)通信模式支持至少八個(gè)連接到最長(cháng)25 m公共混合段的收發(fā)器。請注意，這是IEEE規范中的“最小最大值”。當系統實(shí)現者驗證正確的操作時(shí)，發(fā)現可以支持更多節點(diǎn)和更遠距離。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)標準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4 MHz的條件下提供快速寄存器訪(fǎng)問(wèn)和配置。對物理介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)由載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測（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)現高帶寬利用率，并支持在突發(fā)模式下傳輸多個(gè)數據包，適用于高數據包速率、延時(shí)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(hù)創(chuàng )建的設計中使用這些評估板。另一個(gè)評估板可以插入USB主機，以成為10BASE-T1S節點(diǎn)，并且它隨附適用于Linux和Windows的驅動(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單片機和微處理器集成。 總結 IEEE 802.3cg SPE標準的發(fā)布恰逢工業(yè)4.0初具雛形之時(shí)。工業(yè)4.0和汽車(chē)行業(yè)正在競相簡(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備。10BASE-T1S和10BASE-T1L都為將以太網(wǎng)覆蓋范圍擴展到網(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)需千兆速度的低數據速率設備提供支持。簡(jiǎn)而言之，它擁有顯著(zhù)改變這些設備在工業(yè)環(huán)境和各種車(chē)輛中的連接方式的潛力。 |
