单对以太网技术逐步进入工厂

当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，在工业和建筑自动化应用中运行的无数传感器和致动器中，许多传感器和致动器需要的不仅仅是快速的数据速率才能正确工作。这些边缘设备目前使用大量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成立了一个特别工作组，研究短距离网络技术如何通过一对以太网（SPE）电缆提供10Mb/s的数据速率，以满足工业4.0、汽车和其他市场的需求。

图1：工业4.0对工业网络提出了新的要求

这最终导致了2019年IEEE 802.3cg标准的发布，该标准现在将SPE的优势发挥到了极致。

为工业SPE设置场景

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致动器近实时响应输入所需的确定性。这是因为它们使用带有冲突检测的载波侦听多路访问（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，使得无法保证设备能够在定义的时间间隔内进行传输并与接收器可靠地通信。为了解决这一缺点，开发了一种新的介质访问控制方法，用于10BASE-T1S，这是一种网络协议，旨在通过长达25米的电缆实现高达10Mb/s的多点数据通信。

物理层冲突避免（PLCA）保证了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。在信标被发送之后，发送的选项被转发到节点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。这个过程一直持续到每个节点被给予至少一个传输机会（TO）。

协调器节点然后通过发送另一个信标来重新开始该周期。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，这取决于突发模式设置，默认为每个传输机会一帧（To），但可以设置为每个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SPE工作，这对线更小，更容易使用，而且明显更便宜。

除了实时性和确定性之外，在恶劣和电噪声环境中可靠工作是工业网络的关键要求。虽然旧的以太网标准不是为电磁兼容性（EMC）而设计的，但10BASE-T1S的设计考虑到了这些恶劣的环境。结果是，与其他工业网络相比，10BASET1S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IEC61000-4-6 EMI 3级要求（10 Vrms共模噪声注入）的系统。PLCA是改进的电磁抗扰度的关键技术，因为消除碰撞使物理层收发器能够采用先进的技术，即使在存在高电平电噪声的情况下也可以恢复信号。

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。在工厂设置中，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从温度和压力传感器、机器人和暖通空调执行器、风扇、电压监测器、功率转换器和其他模块的所有部件连接回控制柜。

10BASE-T1S的多点功能使这些设备能够连接到一根共享电缆，这意味着它们可以在不影响整体网络性能或导致进程停机的情况下拆除（或更换），从而大大简化和降低网络维护成本。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，以及为支持它们的额外布线和电源。

二合一MAC/PHY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进行通信。onsemi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来消除这种两层方法。

这意味着它可以提供通过单个非屏蔽SPE传输和接收数据所需的所有物理层功能，并通过开放联盟MAC/PHY SPI协议与主机MCU通信。在单个MAC/PHY设备上集成PHY和MAC允许以太网与传感器和其他具有没有集成MAC的中低端MCU的工业设备一起使用。这显著降低了复杂性，并提供了在初始系统安装后重新配置节点的灵活性。

图3:onsemi公司的NCN26010 10BASE-T1S收发器

云到边缘的连接

以太网已经从最初主要用于连接计算设备的形成年代发展到现在的许多形式，使其能够满足不同应用程序的速度和距离要求。10BASE-T1S可以完成工厂车间多点确定性应用和其他边缘应用所需的缺失链路。