专家技术文章《单对以太网的推出恰逢其时》
来源:Microchip  时间:2023-02-06

Microchip Technology Inc.

高级经理

Henry Muyshondt

对于低数据速率设备,工业设施和汽车制造商需要一种经济高效的连接解决方案, 而 10BASE-T1S 和 10BASE-T1L 可提供低成本且简单的解决方案。

您将了解到:

• 该标准如何将以太网引入到网络的最边缘

• 它为什么完全符合分区架构的趋势

• 它将如何降低布线复杂性并实现车辆工厂自动化

世界上充斥着大量数据通信协议,其中大多数都是为了提供尽可能高的数据速率而 设计的。但是,绝大多数设备(例如,开关和执行器)都很简单,不会产生海量数据, 因此不需要高速通信。世界上有数十亿这样的设备,并且其数量还在呈指数级增长。一 段时间以来,人们需要的是一种简单、低成本的数据通信解决方案,同时它还要能够为 工业、汽车和其他市场中的所有此类设备提供服务。该解决方案已于 2019 年底以 IEEE® 802.3cg 标准的形式推出。我们将会看到,它具有巨大的潜力,因为它可将低成本的单对 以太网布线引入到网络边缘。

这项标准由 IEEE 任务组发起,当时他们正在研究如何提供一种可以覆盖远距离的低 速技术,并且这种技术可以通过单平衡对以太网电缆实现 10 Mbps 的数据速率。他们还 希望在较短距离上实现多点通信功能。尽管 10 Mbps 听起来不算多快,但对于控制开 关、继电器、执行器或机械臂以及许多其他设备而言已经足够,并且在当时,“工业以 太网”还无法以聚合的方式提供这些功能。

任务组中的汽车制造商要求提供一种覆盖更短距离的解决方案,这种解决方案需要 具备相同的基本功能和多点通信功能,其中每个节点连接到一根电缆,因而无需使用开 关,并且需要更少的线路、开关端口和收发器。这种解决方案将使用以太网实现从最低 到最高的所有速度。最终,大多数人都如愿以偿,结果是以太网 10BASE-T1S 可覆盖至 少 25 m 的距离,10BASE-T1L 可覆盖高达 1 km 的距离。而 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 也被纳入单对以太网(SPE)的范畴。传输介质的范围涵盖一根双绞线到PC 板或服务器背板上的其他线对配置和并行走线。与其他替代方案相比,所有这些都更 易于安装、更轻便、更灵活且成本更低(见表 1)。

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表 1. 连接标准对比

基础知识

除了最大传输距离之外,10BASE-T1S 和 10BASE-T1L 之间还有两个主要区别。首 先,只有 10BASE-T1S 提供多点通信和点对点连接能力。其次,只有 10BASE-T1S 采用 了物理层防冲突(PLCA),这是在汽车、工业和楼宇自动化等需要固定性能的实时应用 中使用时的关键要素。PLCA 专门设计用于 10BASEase-T1S 等半双工、多点通信网络, 并且避免了多点通信混合段中发生载波侦听多路访问与冲突检测(CSMA/CD)问题。

CSMA/CD 可能会表现出由数据冲突引起的随机延时。PLCA 能够提供克服这些限制 的保证最大延时和其他特性。PLCA 部署到位后,传输周期从协调器节点(节点 0)发送 的信标开始,网络节点使用该信标进行同步。

在发送信标后,传输机会将传递给节点 1。如果该节点没有要发送的数据,则将传输 机会让给节点 2,依此类推,这一过程持续进行,直到为每个节点提供至少一次传输机 会。然后,协调器节点会发起一个新周期,并发送另一个信标。为了防止节点阻塞总 线,jabber 功能会在节点传输超过分配的时间时将其中断,从而允许传输下一个节点。 结果是对数据吞吐量没有影响,总线上也没有发生数据冲突。

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图 1. 物理层防冲突(PLCA)

两种解决方案都有可观的好处,最重要的是以太网在全球范围内广泛用于信息技术 (IT)和操作技术(OT)领域,同时受到数百家公司的充分认可和支持。这种解决方案 的成本相对较低且在不断降低,自其推出以来,还通过每次迭代来保持其核心结构。这 意味着在系统中使用以太网作为主要通信协议时,不需要协议转换和执行协议转换所需 的网关。

从最简单的低数据速率交换机到高数据速率传感器(例如,能产生大量数据并需要 Gbps 速度的摄像头),任何类型的设备都可以在不进行转换的情况下得到支持。这些设 备均可在以太网交换机中聚合,并用以太网的最高数据速率发送到云端进行处理和分 析。

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图 2. 从边缘到云端的以太网

对汽车制造商的益处

 如果汽车制造商不仅要支持 CAN 总线,还要支持多个应用特定的标准,则为大多数 功能采用单一协议可带来极大的优势。每个车型年份都会对 ADAS 系统进行增强,通常 需要新的摄像头、雷达、超声波传感器(未来还会有激光雷达),以及对信息娱乐和导 航系统的改进。

这导致了在当今的车辆中,普遍具有 40 种不同的线束、80 到 100 个电子控制单元 (ECU)和 300 根电线(总长 2.5 英里,重达 250 磅)。由于各种应用所需的电缆类型 多种多样,并且每种类型都有其自己的要求,因此也面临着电磁兼容性(EMC)的问 题。

为了满足汽车将很快采用数亿行代码的要求(目前采用 1 亿行代码),汽车行业正 在向基于以太网的分区电子/电气(E/E)架构过渡,这种架构将传感器聚合到从分区网 关到主干的单链路中。

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图 3. 网络大趋势

 它几乎完全基于以太网,其即插即用功能特别适合未来定义车辆的服务导向型环 境。设备可以实时连接和断开,而不会停机,这是 CAN 总线的显著优势。也就是说, CAN 总线多年来一直为汽车行业提供优质服务,并将继续为其最适合的应用提供服务, 因此它可能会存在很多年。

行业解决方案

尽管汽车行业将从 10BASE-T1S 中获益最多,但出于以下几个原因,工业领域也可 从 10BASE-T1S 和 10BASE-T1L 中获益匪浅。首先,工业设施使用许多不同的通信技术 来互连设备,包括 I²C 到 RS-485、UART 和 CAN 等。它们连接从控制柜布线到温度传 感器、HVAC 执行器、电梯、风扇、电压监视器、直流到直流转换器和其他模块以及计 算机背板等一切内容。其中许多设备仅需要低数据速率,而这些标准正是为它们而设计 的。

虽然还没有成为主要的讨论话题,但它可以通过连接使用各种短程无线解决方案 (例如 ZigBee®、蓝牙®或 Wi-Fi®)的设备,在物联网中发挥关键作用。正如许多早期采用者所了解的那样,将无线应用于物联网听起来容易,但实现起来非常困难。这些解决 方案显然将在工业物联网中发挥巨大作用,但考虑到以太网的优势,它们不一定是惟一 的解决方案。 

其次,10BASE-T1S 的多点通信能力允许连接、删除或更换许多设备,而不会影响 整体网络性能,并且整个过程非常简单。最后,几乎每个设施中都采用了以太网,因此 可以通过单一标准实现从云端到边缘的移动。还有一点非常重要,即随着工业发展到第 四代,分区方法也在该市场中得到应用,而以太网是首选解决方案。还有一些其他优 势,但仅仅这些就足以让 SPE 极具吸引力。

首款收发器

实现 10BASE-T1S 需要为其提供支持的以太网收发器,而为 10BASE-T1S 提供服务 的首款产品是 Microchip 的 LAN867x 系列以太网收发器。LAN8670/1/2 允许创建多点通 信和点对点网络拓扑。它支持至少 15 m 的点对点链路段,其多点通信模式支持至少八个 连接到最长 25 m 公共混合段的收发器。请注意,这是 IEEE 规范中的“最小最大值”。 当系统实现者验证正确的操作时,发现可以支持更多节点和更远距离。收发器由单个 3.3 VDC 电源供电,并具有集成的 1.8 VDC 稳压器,其温度范围为-40°C 到+125°C,且符合 工业 EMC 和 EMI 要求,适用于恶劣环境。

LAN8670/1/2 支持通过标准 MII/RMII 接口与以太网 MAC 通信,集成的串行管理接 口可在高达 4 MHz 的条件下提供快速寄存器访问和配置。对物理介质的访问由载波侦听 多路访问/冲突检测(CSMA/CD)或物理层防冲突(PLCA)进行管理,PLCA 通过避免 物理层冲突来实现高带宽利用率,并支持在突发模式下传输多个数据包,适用于高数据 包速率、延时敏感型应用。

为了让设计人员更轻松地转移到 10BASE-T1S,公司提供了适合许多 Microchip MCU 板的 RMII 和 MII 评估板,或者可以在用户创建的设计中使用这些评估板。另一个 评估板可以插入 USB 主机,以成为 10BASE-T1S 节点,并且它随附适用于 Linux 和 Windows 的驱动程序。此外,Microchip 的 MPLAB® Harmony 开发框架还支持将 10BASE-T1S 技术与 Microchip 单片机和微处理器集成。

总结

IEEE 802.3cg SPE 标准的发布恰逢工业 4.0 初具雏形之时。工业 4.0 和汽车行业正 在竞相简化其臃肿的连接问题,同时每年也在增加更多传感器和其他可连接设备。 10BASE-T1S 和 10BASE-T1L 都为将以太网覆盖范围扩展到网络边缘铺平了道路,同时 为使用简易双芯电缆且无需千兆速度的低数据速率设备提供支持。简而言之,它拥有显 著改变这些设备在工业环境和各种车辆中的连接方式的潜力。


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