工業(yè)4.0時代，單對以太網(wǎng)如何顛覆傳統(tǒng)工廠車間？

在開發(fā)全新數(shù)據(jù)通信協(xié)議時，通常關(guān)注的重點(diǎn)是進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率。然而，要確保工業(yè)和樓宇自動化應(yīng)用中的許多傳感器和執(zhí)行器正常運(yùn)行，我們需要的不僅僅是更快的數(shù)據(jù)速率。目前，這些“邊緣”設(shè)備使用大量的傳統(tǒng)多點(diǎn)通信協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)，使得原始設(shè)備制造商 (OEM) 支持這些設(shè)備將面臨更復(fù)雜的境況，并且成本隨之增加。為此，IEEE 成立了一個工作小組，研究短距離聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如何通過單對以太網(wǎng) (SPE) 線纜實(shí)現(xiàn) 10 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率，以滿足工業(yè) 4.0、汽車以及其他市場領(lǐng)域的需求。

這一切最終促成了 2019 年 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，現(xiàn)在該標(biāo)準(zhǔn)為“邊緣”應(yīng)用帶來了 SPE 的優(yōu)勢。在本文中，我們首先闡述開發(fā) 10BASE-T1S（基于這一新標(biāo)準(zhǔn)的 SPE 短距離版本）的驅(qū)動因素，然后介紹安森美 (onsemi) 全新以太網(wǎng)收發(fā)器的功能，該收發(fā)器可為工業(yè)自動化、樓宇自動化和其他應(yīng)用提供 10BASE-T1S 的優(yōu)勢。

圖 1：工業(yè) 4.0 對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提出了新要求

 一 設(shè)置工業(yè)SPE的應(yīng)用場景

盡管當(dāng)前某些點(diǎn)對點(diǎn)類型的單對以太網(wǎng)能夠快速提供（并超越）工業(yè)應(yīng)用所需數(shù)據(jù)速率，但現(xiàn)有的多點(diǎn)類型無法提供移動機(jī)器人和執(zhí)行器所需的確定性，做到近乎實(shí)時地響應(yīng)輸入。這是因?yàn)檫@些類型使用載波偵聽多路訪問/沖突檢測 (CSMA/CD) 來調(diào)節(jié)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中共享介質(zhì)（線纜）的訪問。CSMA/CD 存在數(shù)據(jù)沖突引起的隨機(jī)延遲，因此無法保證設(shè)備能夠在規(guī)定的時間間隔內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)并與接收器可靠通信。針對這個缺點(diǎn)，目前開發(fā)出一種用于 10BASE-T1S 的介質(zhì)訪問控制調(diào)節(jié)新方法。10BASE-T1S 是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，旨在通過最長 25 米的線纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率高達(dá) 10Mb/s 的多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。物理層沖突避免 (PLCA) 可保證半雙工多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的最大延遲。PLCA 傳輸周期從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn) 0）發(fā)送信標(biāo)開始到其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同步結(jié)束。發(fā)送信標(biāo)后，傳輸選擇權(quán)就會轉(zhuǎn)至節(jié)點(diǎn) 1。如果該節(jié)點(diǎn)沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，選擇權(quán)就會轉(zhuǎn)至節(jié)點(diǎn) 2。這個過程會一直持續(xù)到每個節(jié)點(diǎn)都獲得了至少一次傳輸機(jī)會 (TO) 為止。然后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會通過發(fā)出另一個信標(biāo)的方式重新開始傳輸周期。為防止節(jié)點(diǎn)阻斷總線，每個傳輸機(jī)會只允許傳輸一定數(shù)量的幀，取決于突發(fā)模式設(shè)置，默認(rèn)為每個傳輸機(jī)會 (TO) 1 幀，但也可以設(shè)置為每個 TO 128 幀?？偩€不會出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)沖突，因此吞吐量不會受到任何影響。

圖 2：PLCA 介質(zhì)訪問控制周期

布線是在工業(yè)環(huán)境中部署傳統(tǒng)以太網(wǎng)的另一個障礙。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線纜有四對電線，不僅增加了成本，而且也難以安裝。10BASE-T1S 專為使用單對電線而開發(fā)，因此更小巧、更易使用，成本也明顯更低。

除了實(shí)時性能和確定性之外，在惡劣且嘈雜的電氣環(huán)境下可靠工作是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵要求。舊的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計不具備電磁兼容性 (EMC)，而 10BASE-T1S 在設(shè)計時考慮到這些惡劣的環(huán)境因素。因此，與其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相比，10BASE?T1S 具有出色的 EMC 性能。如今，即便使用非屏蔽單對線纜，也可以利用 10BASE-T1S 設(shè)計出滿足 3 類 IEC61000-4-6 EMI 要求（10 Vrms 共模噪聲注入）的系統(tǒng)。PLCA 是提高電磁抗擾性的關(guān)鍵因素，因?yàn)橄龥_突有助于物理層收發(fā)器使用先進(jìn)技術(shù)，這樣在電氣噪聲比較大的環(huán)境下也能恢復(fù)信號。

 二 工藝邊緣的SPE

工業(yè)設(shè)備原始設(shè)備制造商和工業(yè)設(shè)施運(yùn)營商將會因 10BASE-T1S 在許多方面受益匪淺。在工廠環(huán)境下，許多通信技術(shù)通常在物理層 (PHY) 連接設(shè)備（RS-485、UART），在數(shù)據(jù)鏈路層連接各種現(xiàn)場總線協(xié)議。這些節(jié)點(diǎn)以較低的數(shù)據(jù)速率將所有部件（包括溫度和壓力傳感器、機(jī)器人和暖通空調(diào)執(zhí)行器、風(fēng)扇、電壓監(jiān)控器、電源轉(zhuǎn)換器以及其他模塊）連接至控制柜。10BASE-T1S 的多點(diǎn)能力允許將這些設(shè)備連接至單根共享線纜，這意味著，我們可以在不影響整體網(wǎng)絡(luò)性能或不會導(dǎo)致進(jìn)程停止的情況下移除（或更換）這些設(shè)備，從而大大簡化網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本。用 10BASE-T1S 取代傳統(tǒng)多點(diǎn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)還可消除對大型交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器的需求，以及支持這些設(shè)備所需的額外線纜和功率需求。

 三 二合一MAC PHY收發(fā)器

典型的 10BASE-T1S 以太網(wǎng) PHY 控制器只提供通過非屏蔽單對線纜傳輸和接收數(shù)據(jù)所需的物理層功能，并支持通過獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)(MII) 與 MAC 通信。但是，安森美的 NCN26010（圖 3）是一款符合 IEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)收發(fā)器，它將媒體訪問控制器 (MAC)、PLCA 協(xié)調(diào)子層 (RS) 與 10BASE-T1S PHY 整合在單個封裝，因此無需使用這種雙層設(shè)計方法。這意味著，它可提供通過單一的非屏蔽雙絞線傳輸和接收數(shù)據(jù)所需的所有物理層功能，并可通過 Open Alliance 的 MACPHY SPI 協(xié)議與主機(jī) MCU 通信。通過將 PHY 和 MAC 集成在單個 MACPHY 設(shè)備中，可以將以太網(wǎng)與傳感器以及其他使用中低端 MCU 的工業(yè)設(shè)備（無集成 MAC）搭配使用。這不僅顯著降低了復(fù)雜性，還支持在系統(tǒng)初始安裝后靈活地重新配置節(jié)點(diǎn)。

圖 3：安森美的 NCN26010 10BASE-T1S 收發(fā)器

NCN26010 還具有另外兩個顯著優(yōu)勢。第一個優(yōu)勢：它具有增強(qiáng)的抗噪模式和出色的誤碼率 (BER)，同時通過了 IEC6100-4-6 在 10 Vrms 條件下進(jìn)行的抗擾度測試，確保在嘈雜的工廠環(huán)境下能夠進(jìn)行可靠的信號檢測。此功能使 NCN26010 能夠在長達(dá) 50 米的線纜上部署 8 個節(jié)點(diǎn)（IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)要求的 2 倍）。第二個優(yōu)勢：該器件的線路引腳電容更低，最多可將 40 個節(jié)點(diǎn)連接至一根 25 米長的單對電纜上（超出 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn) 5 倍）。NCN26010 還可通過采用以太網(wǎng)的分層法來降低軟件維護(hù)成本，因此更改以太網(wǎng) PHY 不會影響上部軟件層。NCN26010 收發(fā)器可采用4 mm x 4mm QFN32 薄型封裝或 5mm x 5mm TQFP32 封裝。除了工業(yè)工廠，該收發(fā)器還可用于樓宇自動化（電梯和智能傳感器）、街道照明、鐵路運(yùn)輸以及其他汽車應(yīng)用。

 四 云-邊緣互聯(lián)

從最初主要用于連接計算設(shè)備到現(xiàn)在的許多形式，以太網(wǎng)已經(jīng)取得了相當(dāng)大的發(fā)展，能夠滿足許多不同應(yīng)用的速度和距離要求。10BASE-T1S 彌補(bǔ)了工廠車間中多點(diǎn)確定性應(yīng)用以及其他邊緣應(yīng)用所需的缺失鏈路。

本文作者：安森美技術(shù)營銷 / 有線互聯(lián)業(yè)務(wù)部 Arndt Schuebel