单对以太网步入工厂车间-电子发烧友网

在开发新的数据通信协议时，提高数据速率通常是主要关注点。然而，在工业和楼宇自动化应用中运行的无数传感器和执行器中，许多需要的不仅仅是快速的数据速率才能正常工作。这些边缘设备目前使用无数传统的多点协议进行互连，这增加了原始设备制造商（OEM）支持它们的复杂性和成本。

考虑到这一点，IEEE成立了一个工作组，研究短距离网络技术如何通过一对以太网（SPE）电缆提供10 Mb / s的数据速率，以满足工业4.0，汽车和其他市场的需求。

这在 2019 年发布的 IEEE 802.3cg 标准中达到高潮，该标准现在将 SPE 的优势带到了边缘。

为工业 SPE 奠定基础

虽然已经存在点对点类型的单对以太网，可以快速提供（并超过）工业应用所需的数据速率，但现有的多点类型无法提供移动机器人和执行器近乎实时响应输入所需的确定性。这是因为它们使用载波检测多路访问和冲突检测（CSMA/CD）来仲裁对多点网络中共享介质（电缆）的访问。

CSMA/CD表现出由数据冲突引起的随机延迟，因此无法保证设备能够在定义的时间间隔内与接收器进行传输和可靠的通信。为了解决这一缺点，开发了一种调节介质访问控制的新方法，用于10BASE-T1S，这是一种网络协议，旨在通过长达10米的电缆以高达25Mb/s的速率实现多点数据通信。

物理层冲突避免（PLCA）可确保半双工多点网络中的最大延迟。当协调器节点（节点 0）发送信标时，PLCA 传输周期开始，然后其他网络节点同步到该信标。发送信标后，传输选项将转发到节点 1.如果此节点没有要发送的数据，则该选项将传递给节点 2。此过程一直持续到每个节点至少获得一个传输机会（TO）为止。

然后，协调器节点通过发送另一个信标来重新启动循环.为了防止节点阻塞总线，每个传输机会只允许一定数量的传输帧，由突发模式设置控制，该设置默认为每个传输机会（TO）一帧，但可以设置为每 TO 128 帧。总线上不会发生数据冲突，因此吞吐量不受影响。

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。标准以太网电缆有四对电线，这增加了它们的成本并使它们难以安装。10BASE-T1S被开发为使用一对电线工作，这些电线更小，更易于使用，并且价格便宜得多。

除了实时性能和确定性之外，在恶劣和电气噪声环境中可靠工作是工业网络的关键要求。虽然较旧的以太网标准不是为电磁兼容性（EMC）而设计的，但 10BASE-T1S 在设计时考虑了这些恶劣环境。结果是，与其他工业网络相比，10BASE-T1S表现出出色的EMC性能。

使用10BASE-T1S，即使使用非屏蔽单对电缆，也可以设计出满足3类IEC61000-4-6 EMI要求（10 Vrms共模噪声注入）的系统。PLCA是提高电磁抗扰度的关键因素，因为消除碰撞使物理层收发器能够采用先进的技术，即使在存在高水平的电噪声的情况下也能恢复信号。

工业边缘的 SPE

工业设备原始设备制造商和工业设施运营商将在许多方面从10BASE-T1S中受益匪浅。在工厂环境中，许多通信技术传统上在物理层（PHY）连接设备（RS-485，UART），在数据链路层连接各种现场总线协议。这些节点以低数据速率将温度和压力传感器、机器人和 HVAC 执行器、风扇、电压监视器、电源转换器和其他模块等所有设备连接回控制柜。

10BASE-T1S的多点功能允许将这些设备连接到单个共享电缆，这意味着它们可以在不影响整体网络性能或导致过程停机的情况下被移除（或更换），从而大大简化并降低了网络维护成本。用 10BASE-T1S 取代传统的多点工业网络还消除了对大型交换机、网关和协议转换器的需求，以及支持它们所需的额外布线和电源。

二合一麦克菲收发器

典型的 10BASE-T1S 以太网 PHY 控制器仅提供通过非屏蔽单对电缆传输和接收数据所需的物理层功能，并支持通过标准媒体独立接口（MII）与 MAC 通信。安森美的NCN26010（图3）是一款符合IEEE 802.3cg标准的以太网收发器，旨在通过在单个封装中集成媒体访问控制器（MAC）、PLCA协调子层（RS）和10BASE−T1S PHY，消除这种双层方法。

这意味着它可以提供通过单个非屏蔽双绞线发送和接收数据所需的所有物理层功能，并通过开放联盟MACPHY SPI协议与主机MCU通信。将PHY和MAC集成到单个MACPHY器件上，允许以太网与传感器和其他工业设备一起使用，这些设备具有没有集成MAC的中低端MCU。这大大降低了复杂性，并提供了在初始系统安装后重新配置节点的灵活性。