工業(yè)千兆以太網(wǎng)接口

無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正變得越來越廣泛，尤其在工業(yè)領(lǐng)域。在眾多應(yīng)用中，有些情況需要更可靠并且更安全的通信。使用智能傳感器，和具備高效調(diào)制與編碼技術(shù)的儀表可以建立工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。此類網(wǎng)絡(luò)的傳播特性好，帶寬低，不過目前開發(fā)的大部分產(chǎn)品局限于低于 1 Mbit/s 的低數(shù)據(jù)量傳輸場景。

無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞教焐蝗缬芯€網(wǎng)絡(luò)可靠。因此，特別是在工業(yè)環(huán)境中，有時候有線網(wǎng)絡(luò)是唯一可行的解決方案。

有線以太網(wǎng)

與無線網(wǎng)絡(luò)類似，有線網(wǎng)絡(luò)在終端之間以數(shù)據(jù)幀的方式進行傳輸。

目前，通信速率有 100Base-TX （100 Mbit/s 快速以太網(wǎng)）、千兆以太網(wǎng)（1 Gbit/s）、萬兆以太網(wǎng)（10 Gbit/s）和 100G 以太網(wǎng)（100 Gbit/s）。對于大多數(shù)應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)可以在常規(guī)的網(wǎng)線上正常工作，如 CAT5e 和 CAT6 線纜。這些線纜符合 1000BASE-T 標準，即IEEE 802.3ab。

千兆以太網(wǎng)接口符合 802.3ab-1999（CL40）標準，需要四對線或通道。 因此每個通道的編碼傳輸速率是125 兆 (MBd)，帶寬為 62.5 MHz （每個編碼 2 位數(shù)據(jù)）。1000BASE-T（千兆以太網(wǎng)）的差分信號典型值是 750 mV ，負載 100Ω 時的限值為 820 mV > V_signal > 670 mV。

千兆以太網(wǎng)前端

典型的以太網(wǎng)前端使用 RJ45 端口，可用于全雙工傳輸。能實現(xiàn)這一點是因為連接器中包含兩對信號線，每個方向一對（差分電壓）。IEEE 標準要求RJ45 使用變壓器實現(xiàn)電氣隔離。變壓器可以保護設(shè)備免受線路高壓，或者設(shè)備之間的電位差引起的損害。千兆以太網(wǎng)接口的電路圖如圖1所示。

圖1：千兆以太網(wǎng)接口基本電路，由包含四個通道

千兆以太網(wǎng)接口分立電路

網(wǎng)絡(luò)變壓器（LAN 變壓器）是設(shè)備連接網(wǎng)線的接口。在設(shè)備和線纜之間的變壓器能夠提供必須的隔離，同時匹配阻抗和實現(xiàn)差分。此外，變壓器還能保護設(shè)備免受瞬態(tài)干擾，并抑制設(shè)備內(nèi)部、外部線纜和設(shè)備之間的共模信號，同時不能影響信號收發(fā)性能，必須能夠達到 1 Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外還需要一些器件滿足匹配和電磁兼容 (EMC) 測試。

圖 2 展示了使用分立元件的千兆以太網(wǎng)接口電路圖。LAN 變壓器在電子設(shè)備和網(wǎng)線之間提供直流隔離。初級側(cè)繞組的中心抽頭進行了“Bob Smith”匹配：每對線連接一個 75 Ω 電阻到“星形點”，然后通過兩個并聯(lián)的 100pF/2kV 電容接到機殼地。X3 模塊中集成了共模電感，可抑制較長的網(wǎng)線通過容性或感性耦合的噪音，這些共模干擾可能會影響通信。

圖2：千兆以太網(wǎng)接口分立電路，X3 模塊包含變壓器和共模電感

圖 3 展示的是以太網(wǎng)接口區(qū)域四層PCB板布線。金屬殼接地與四層中所有PHY側(cè)GND 隔離，因此金屬殼的接地平面不會與其它層的GND平面重疊，盡可能減小電容耦合。地平面以 4 毫米網(wǎng)格的過孔連接。網(wǎng)口差分信號參考地平面，阻抗 100 Ω ,差分線的寬度 0.154mm，間距 0.125mm。RJ45連接器位于 PCB 的邊緣，確保與金屬外殼的低阻抗連接。 

頂層              VCC 層 

地層              底層 

 圖3：以太網(wǎng)接口區(qū)域PCB四層布線

X3變壓器模塊就近放置，以盡量減少耦合或長走線干擾。與初級側(cè)一樣，變壓器的次級側(cè)信號也需要參考地平面并保持 100 Ω 差分阻抗。為避免寄生電感引起的壓降，TVS 陣列必須直接連接信號和 GND。

EMC 認證

在電磁兼容 (EMC) 方面，該板符合針對多媒體設(shè)備的抗擾度 (EN61000-6-2) 和 無線電干擾發(fā)射EN55032 B類標準。千兆以太網(wǎng)接口電路和布線需要考慮射頻設(shè)計、取決于產(chǎn)品整體系統(tǒng)的接地方式以及正確的器件選擇。更多信息可參見伍爾特電子的應(yīng)用指導(dǎo)，網(wǎng)址為 [https://www.we-online.com/applicationguide/en]。

關(guān)于作者

工程學(xué)博士 Heinz Zenkner

伍爾特電子技術(shù)應(yīng)用獨立顧問，也是技術(shù)學(xué)院 EMC 領(lǐng)域的講師。同時，Heinz 是一位廣受認可的 EMC 專家。他撰寫了許多技術(shù)論文和書籍，并在多所大學(xué)、IHK 和許多研討會上擔任講師。