工业以太网连接一帆风顺？物理层还有诸多挑战

大规模的数据计算和可靠稳定的通信互联是工业自动化的命脉，考虑到工业设备里数量庞大的传感器和执行器，在工业现实场景里各种系统、协议也是种类繁多，一系列的传统网关多到数不胜数用以传输转换整个流程的数据。在自动化边缘终端，只有解决互联性的问题，才能确保无缝的数据信息衔接。

以太网在工业自动化网络中已经常见了，越来越多的工业系统采用这种连接来进行数据集成、同步、互联。而且其可拓展性和高带宽也很契合工业通信应用。这么看来似乎工业场景里互联问题已经迎刃而解了，并没有太多挑战。实际上，在以太网应用和部署上并没有想象中一帆风顺。

挑战在哪里？

我们以最常见也极其重要的多轴同步精密运控为例，这是工业场景整个自动化环节里举足轻重的应用。在工业场景不断的革新之下，伺服电机驱动器需要更快的响应时间和更高的驱动精度，并要求终端设备中使用的伺服电机轴更紧密地同步。

（自动化中的以太网，TI）

100Mb的以太网是其中应用最多的，上述要求的同步对于网络来说，涉及主机和从机之间的数据通信同步，还涉及电机控制内PWM的同步，在每个周期网络内可以将更多器件连接到网络肯定是大家更希望看到的。如果是更高数据速率的千兆位以太网，能实现的连接则更多。想要同步，那么就和传输延迟拖不了干系，而且在部署的时候，任何以太网铺设路径周围都存在来自电机和生产设备的高压瞬变，进一步可能会损坏数据和设备。以太网物理层总体的延迟、功耗都是在以太网在应用和部署上不可避免的挑战。

以太网物理层如何解决这些挑战

功耗问题首当其冲

以太网物理层的功耗在什么时候都很重要，而且如果是千兆位的物理层设备，其功耗对系统的总功耗也有着重大影响，采用低功耗物理层设备能够为系统中的FPGA/MCU/处理器预留提供更多的可用功耗。

很简单的道理，对于功耗预算确定的设备，留给以太网物理层的功耗预算本来就不多，而且每个互联设备都是需要两个以太网物理层的，功耗不足够低根本没有办法满足整个设备的连接要求。即便是我们之前说过的备受青睐的单对以太网，其物理层也会尽可能降低功耗来其他关键系统组件的系统功率预算留出更多的空间。有的厂商会选择用双电源操作来实现最低功耗。以TI单对以太网物理层收发器的功耗来看，1-V p2p模式38 mW的功耗、2.4V p2p模式82mW的功耗属于符合IEEE 802.3cg 10Base-T1L规范的很低的功耗水准了。一般来说单对以太网这个规范下的功耗普遍只要求低于110mW。

（千兆以太网PHY，ADI）

低功耗的另一个意义在于更好地支持以太网高级物理层规范中定义的内在安全实现，满足外部终端的标准。

延迟与同步

多轴同步控制肯定是和延迟密切相关的，这些延迟主要体现在PHY上。更低的延迟意味着大幅减少网络周期时间，意味着单个周期内能将更多器件连接到网络中。在带宽满足数据吞吐量的前提下，降低带宽是完成同步最有效的办法。

低延迟的物理层器件往往集成相关的管理接口，其中MII管理接口最好能在主机处理器和PHY器件之间提供双线式串行接口，便于访问PHY内核中的控制和状态信息。我们来看一下延迟，以ADI在多轴上应用很出名的PHY ADIN1X00为例，100Mb下，延迟发射< 68 ns，接收< 226 ns，具体的延迟会根据协议不同略有差异，但这个标准的延迟是多轴控制系统能接受的低延迟了。

带宽也会影响这个延迟，但选择以太网PHY时会先确定带宽范围，不会一味拔高带宽。一味拔高带宽往往在延迟上得不偿失。

小结

以太网物理层PHY可靠性的提高体现在EMC/ESD上，浪涌、EFT、ESD、射频电磁场辐射抗扰度、射频场感应的传导抗扰度、电磁辐射骚扰、传导辐射这些会大大降低可靠性风险。为了实现工业场景的无缝传输，在终端节点的数量正在加速增长的背景下，如何在以太网物理层PHY上解决功耗、延迟问题至关重要。