Microchip Technology Inc.
高級經理
Henry Muyshondt
對于低數據速率設備，工業設施和汽車制造商需要一種經濟高效的連接解決方案， 而 10BASE-T1S 和 10BASE-T1L 可提供低成本且簡單的解決方案。
您將了解到：
? 該標準如何將以太網引入到網絡的最邊緣
? 它為什么完全符合分區架構的趨勢
? 它將如何降低布線復雜性并實現車輛工廠自動化
世界上充斥著大量數據通信協議，其中大多數都是為了提供盡可能高的數據速率而 設計的。但是，絕大多數設備（例如，開關和執行器）都很簡單，不會產生海量數據， 因此不需要高速通信。世界上有數十億這樣的設備，并且其數量還在呈指數級增長。一 段時間以來，人們需要的是一種簡單、低成本的數據通信解決方案，同時它還要能夠為 工業、汽車和其他市場中的所有此類設備提供服務。該解決方案已于 2019 年底以 IEEE? 802.3cg 標準的形式推出。我們將會看到，它具有巨大的潛力，因為它可將低成本的單對 以太網布線引入到網絡邊緣。
這項標準由 IEEE 任務組發起，當時他們正在研究如何提供一種可以覆蓋遠距離的低 速技術，并且這種技術可以通過單平衡對以太網電纜實現 10 Mbps 的數據速率。他們還 希望在較短距離上實現多點通信功能。盡管 10 Mbps 聽起來不算多快，但對于控制開 關、繼電器、執行器或機械臂以及許多其他設備而言已經足夠，并且在當時，“工業以 太網”還無法以聚合的方式提供這些功能。
任務組中的汽車制造商要求提供一種覆蓋更短距離的解決方案，這種解決方案需要 具備相同的基本功能和多點通信功能，其中每個節點連接到一根電纜，因而無需使用開 關，并且需要更少的線路、開關端口和收發器。這種解決方案將使用以太網實現從最低 到最高的所有速度。最終，大多數人都如愿以償，結果是以太網 10BASE-T1S 可覆蓋至 少 25 m 的距離，10BASE-T1L 可覆蓋高達 1 km 的距離。而 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 也被納入單對以太網（SPE）的范疇。傳輸介質的范圍涵蓋一根雙絞線到PC 板或服務器背板上的其他線對配置和并行走線。與其他替代方案相比，所有這些都更 易于安裝、更輕便、更靈活且成本更低（見表 1）。
表 1. 連接標準對比
基礎知識
除了最大傳輸距離之外，10BASE-T1S 和 10BASE-T1L 之間還有兩個主要區別。首
先，只有 10BASE-T1S 提供多點通信和點對點連接能力。其次，只有 10BASE-T1S 采用
了物理層防沖突（PLCA），這是在汽車、工業和樓宇自動化等需要固定性能的實時應用
中使用時的關鍵要素。PLCA 專門設計用于 10BASEase-T1S 等半雙工、多點通信網絡，
并且避免了多點通信混合段中發生載波偵聽多路訪問與沖突檢測（CSMA/CD）問題。
CSMA/CD 可能會表現出由數據沖突引起的隨機延時。PLCA 能夠提供克服這些限制
的保證最大延時和其他特性。PLCA 部署到位后，傳輸周期從協調器節點（節點 0）發送
的信標開始，網絡節點使用該信標進行同步。
在發送信標后，傳輸機會將傳遞給節點 1。如果該節點沒有要發送的數據，則將傳輸 機會讓給節點 2，依此類推，這一過程持續進行，直到為每個節點提供至少一次傳輸機 會。然后，協調器節點會發起一個新周期，并發送另一個信標。為了防止節點阻塞總 線，jabber 功能會在節點傳輸超過分配的時間時將其中斷，從而允許傳輸下一個節點。 結果是對數據吞吐量沒有影響，總線上也沒有發生數據沖突。
圖 1. 物理層防沖突（PLCA）
兩種解決方案都有可觀的好處，最重要的是以太網在全球范圍內廣泛用于信息技術
（IT）和操作技術（OT）領域，同時受到數百家公司的充分認可和支持。這種解決方案
的成本相對較低且在不斷降低，自其推出以來，還通過每次迭代來保持其核心結構。這
意味著在系統中使用以太網作為主要通信協議時，不需要協議轉換和執行協議轉換所需
的網關。
從最簡單的低數據速率交換機到高數據速率傳感器（例如，能產生大量數據并需要 Gbps 速度的攝像頭），任何類型的設備都可以在不進行轉換的情況下得到支持。這些設 備均可在以太網交換機中聚合，并用以太網的最高數據速率發送到云端進行處理和分 析。
圖 2. 從邊緣到云端的以太網
對汽車制造商的益處
如果汽車制造商不僅要支持 CAN 總線，還要支持多個應用特定的標準，則為大多數
功能采用單一協議可帶來極大的優勢。每個車型年份都會對 ADAS 系統進行增強，通常
需要新的攝像頭、雷達、超聲波傳感器（未來還會有激光雷達），以及對信息娛樂和導
航系統的改進。
這導致了在當今的車輛中，普遍具有 40 種不同的線束、80 到 100 個電子控制單元 （ECU）和 300 根電線（總長 2.5 英里，重達 250 磅）。由于各種應用所需的電纜類型 多種多樣，并且每種類型都有其自己的要求，因此也面臨著電磁兼容性（EMC）的問 題。
為了滿足汽車將很快采用數億行代碼的要求（目前采用 1 億行代碼），汽車行業正 在向基于以太網的分區電子/電氣（E/E）架構過渡，這種架構將傳感器聚合到從分區網 關到主干的單鏈路中。
圖 3. 網絡大趨勢
它幾乎完全基于以太網，其即插即用功能特別適合未來定義車輛的服務導向型環
境。設備可以實時連接和斷開，而不會停機，這是 CAN 總線的顯著優勢。也就是說，
CAN 總線多年來一直為汽車行業提供優質服務，并將繼續為其最適合的應用提供服務，
因此它可能會存在很多年。
行業解決方案
盡管汽車行業將從 10BASE-T1S 中獲益最多，但出于以下幾個原因，工業領域也可
從 10BASE-T1S 和 10BASE-T1L 中獲益匪淺。首先，工業設施使用許多不同的通信技術
來互連設備，包括 I2C 到 RS-485、UART 和 CAN 等。它們連接從控制柜布線到溫度傳
感器、HVAC 執行器、電梯、風扇、電壓監視器、直流到直流轉換器和其他模塊以及計
算機背板等一切內容。其中許多設備僅需要低數據速率，而這些標準正是為它們而設計
的。
雖然還沒有成為主要的討論話題，但它可以通過連接使用各種短程無線解決方案 （例如 ZigBee?、藍牙?或 Wi-Fi?）的設備，在物聯網中發揮關鍵作用。正如許多早期采用者所了解的那樣，將無線應用于物聯網聽起來容易，但實現起來非常困難。這些解決 方案顯然將在工業物聯網中發揮巨大作用，但考慮到以太網的優勢，它們不一定是惟一 的解決方案。
其次，10BASE-T1S 的多點通信能力允許連接、刪除或更換許多設備，而不會影響
整體網絡性能，并且整個過程非常簡單。最后，幾乎每個設施中都采用了以太網，因此
可以通過單一標準實現從云端到邊緣的移動。還有一點非常重要，即隨著工業發展到第
四代，分區方法也在該市場中得到應用，而以太網是首選解決方案。還有一些其他優
勢，但僅僅這些就足以讓 SPE 極具吸引力。
首款收發器
實現 10BASE-T1S 需要為其提供支持的以太網收發器，而為 10BASE-T1S 提供服務
的首款產品是 Microchip 的 LAN867x 系列以太網收發器。LAN8670/1/2 允許創建多點通
信和點對點網絡拓撲。它支持至少 15 m 的點對點鏈路段，其多點通信模式支持至少八個
連接到最長 25 m 公共混合段的收發器。請注意，這是 IEEE 規范中的“最小最大值”。
當系統實現者驗證正確的操作時，發現可以支持更多節點和更遠距離。收發器由單個 3.3
VDC 電源供電，并具有集成的 1.8 VDC 穩壓器，其溫度范圍為-40°C 到+125°C，且符合
工業 EMC 和 EMI 要求，適用于惡劣環境。
LAN8670/1/2 支持通過標準 MII/RMII 接口與以太網 MAC 通信，集成的串行管理接
口可在高達 4 MHz 的條件下提供快速寄存器訪問和配置。對物理介質的訪問由載波偵聽
多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）或物理層防沖突（PLCA）進行管理，PLCA 通過避免
物理層沖突來實現高帶寬利用率，并支持在突發模式下傳輸多個數據包，適用于高數據
包速率、延時敏感型應用。
為了讓設計人員更輕松地轉移到 10BASE-T1S，公司提供了適合許多 Microchip
MCU 板的 RMII 和 MII 評估板，或者可以在用戶創建的設計中使用這些評估板。另一個
評估板可以插入 USB 主機，以成為 10BASE-T1S 節點，并且它隨附適用于 Linux 和
Windows 的驅動程序。此外，Microchip 的 MPLAB? Harmony 開發框架還支持將
10BASE-T1S 技術與 Microchip 單片機和微處理器集成。
總結
IEEE 802.3cg SPE 標準的發布恰逢工業 4.0 初具雛形之時。工業 4.0 和汽車行業正
在競相簡化其臃腫的連接問題，同時每年也在增加更多傳感器和其他可連接設備。
10BASE-T1S 和 10BASE-T1L 都為將以太網覆蓋范圍擴展到網絡邊緣鋪平了道路，同時
為使用簡易雙芯電纜且無需千兆速度的低數據速率設備提供支持。簡而言之，它擁有顯
著改變這些設備在工業環境和各種車輛中的連接方式的潛力。
