单对以太网的工业连接

在一个越来越依赖无线通信的世界里，有线世界似乎已经过时了。然而，在工业物联网 (IIoT) 中，电线仍然是常态。在工业环境中保持有线连接有几个原因，包括射频干扰、拥挤的无线电频段、许可要求和简单的响应。

传统上，工业应用一直是 Profibus、Modbus、CAN 等旧现场总线技术的目标。这些技术通常基于双绞线布线，通常在 1 Mbps 或更低的性能级别。在工业世界中，成本就是一切。因此，传感器和执行器的接线需要便宜且使用寿命长。因此，单双绞线是常态。

尽管如此，我们正在看到第四次工业革命的扩张，也称为工业 4.0 (I4)。 I4 的特点是使用大规模机器对机器 (M2M) 通信和部署物联网 (IoT) 以提高自动化程度。这一趋势的目标是部署无需人工干预即可操作、分析数据和采取行动的智能设备。 I4 成功的关键在于连接性和性能，以及可能引入延迟的信号中间转换最少。此外，物联网元素通常集中于能够将数据从传感器一直无缝传输到云端。在我们当前的世界中，这意味着使用 IP 协议栈。

不幸的是，传统的现场总线技术通常都不能通过 IP 帧。这意味着需要将 Profibus 或 CAN 帧转换为 IP 的转换器盒，反之亦然。这会引入延迟并增加成本。而且，由于与 Wi-Fi 或 5G 蜂窝等现代通信相比，这些现场总线技术中的大多数都相对较慢，因此需要一种新方法来支持 I4 不断增长的通信需求。

利用汽车技术进步

在汽车领域，我们看到高级驾驶辅助系统 (ADAS) 中的传感器所需的数据量呈爆炸式增长。与传统工业应用一样，汽车应用依赖 CAN 等现场总线技术在电子控制单元 (ECU) 和传感器/执行器（如防抱死制动、排放控制等）之间进行通信。然而，CAN 的 1 Mbps 速率限制甚至 CAN-FD 的增强数据速率（高达 5 Mbps）对于配备 ADAS 的现代车辆的多个摄像头馈送、雷达和激光雷达来说是不够的。汽车应用需要的是一种可靠的高速网络功能，可以缩短新功能的上市时间，同时减轻重量。此外，在车辆内支持 IP 的能力将简化软件开发并最大限度地减少对协议转换器的需求。

如果我们从信息技术领域看一页，我们会发现以太网在很大程度上是一种占主导地位的技术，即使在无线协议方面也是如此。以太网是在云基础架构中以高达 400 Gbps 的数据速率提供有保证的性能的骨干网。然而，传统以太网通常使用两对或四对布线或光纤。与单对 CAN 总线相比，传统以太网布线更昂贵、更重（在两对或四对布线的情况下）或不太坚固（在光纤的情况下）。因此，可以处理 1 Gbps 范围内数据速率的单对以太网将是理想的选择。输入 xBASE-T1 单对以太网 (SPE)。

标准化 SPE

IEEE 802.3 工作组负责与以太网相关的标准。以太网最初于 1983 年标准化，其多种形式已经使包括 ARCNET、FDDI 和令牌环在内的竞争技术黯然失色。以太网最初基于同轴电缆，后来演变为同时使用屏蔽和非屏蔽双绞线电缆，到 1990 年代初期，无处不在的 RJ45 (8P8C) 连接器成为 IT 中许多计算设备的常见固定装置。

最初的 10BASE-T 实现依赖于两个线对，其中一个差分对用于发送，一个差分对用于接收。该标准限制为 10 Mbits/sec，比最初的基于同轴电缆的方法快得多，但使用了星形而不是同轴电缆解决方案的总线拓扑。这种星型连接方法要求使用称为以太网交换机的集中式集线器，它可以处理连接到交换机端口的设备之间的数据移动。随着快速以太网（也称为 100BASET）的引入，这种相同的两对电缆解决方案得以延续，它支持高达 100 Mbits/sec 的数据速率。随着千兆以太网（1000BASE-T）的引入，线对的数量翻了一番，达到了四个，数据速率也提升了一个数量级。

除了数据速率的变化之外，一种称为以太网供电 (PoE - IEEE 802.at-2009) 的技术引入了几种替代方法，可以在与数据相同的以太网电缆上提供电力。 PoE 支持在 48 VDC 下提供高达 25.5 W 的功率，允许为监控摄像头和无线接入点等远程设备供电。更高版本称为数据线供电 (PoDL – IEEE 802.3bu-2016)，它允许在 12、24 或 48 VDC 下提供高达 50 W 的功率。 PoDL 专为 xBASE-T1 SPE 市场开发，允许通过单线对传输数据和电力。

xBASE-T1 标准可以进一步细分为 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg)、100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) 和 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp)。下表总结了这些变体的主要特征：

10BASE-T1L 中的“L”代表“长距离”，因为它的长度为 1 公里（许多实施实际上可能超过 1 公里，具体取决于电缆质量和连接器类型）。 SPE 规范的众多优点之一是它可以使用现有的单双绞线现场总线电缆。这对于工业应用来说是一笔巨大的节省。而且，通过添加 PoDL，远程设备可以支持通信并通过同一电缆段供电。作为一个额外的好处，10 Mbit/sec 的数据速率比它打算取代的现场总线实施要快得多。

虽然 T1L 变体针对点对点应用，但还有一个“短距离”变体 (10BASE-T1S)，它作为多点实现接线，以取代常见的现场总线版本，例如 20 mA 电流回路和 CAN . T1S 口味的范围显着缩短至 25 m。但是，多点的使用允许单根电缆与单端口接口一起运行，用于媒体访问 PHY。

为了支持多点接入并避免电缆上的潜在竞争，有两种方法。第一种是使用载波侦听多路访问/冲突检测 (CSMA/CD)，它可以追溯到 1980 年代的原始以太网实现。在这种方法中，每个站点在传输之前首先侦听总线上的流量。如果多个站点同时尝试传输，则检测到冲突，每个站点停止传输，等待一小段随机时间，然后通过侦听空闲总线并再次尝试传输来重复该过程。这是一种简单的方法，但它在通信中添加了一个随机元素，这会引入延迟。

如果应用程序对延迟特别敏感，则可以在 CSMA/CD 中添加一种替代物理层冲突避免 (PLCA) 机制，其中一个站被指定为主站，它发出一个信标，仅允许信标中指定的站传输（有点像令牌环实现）。这通过为每个站点提供一个指定的时隙来促进确定性，并避免在站点数量增加到最多 31 个站点时发生冲突的可能性。需要注意的是，PoDL 尚未定义用于多点应用程序。

以太网就是以太网

SPE 的显着优势之一是归根结底是以太网。因此，就协议栈而言，SPE 就像所有其他以太网段一样。这意味着您可以在 SPE 实施之上轻松使用 IPv4/IPv6 协议。这是一个巨大的软件开发时间节省，因为软件团队可以使用标准的基于 IP 的 API 进行通信。不需要从现场总线变体之一到 IP 和返回的协议转换，从而减少延迟并消除协议转换器设备的成本。

就像典型的四对以太网交换机一样，SPE 交换机中的自动速度检测也是一种可能性。因此，一台交换机可以处理 10BASE-T1、100BASE-T1 和 1000 BASE-T1 段，并支持更传统的两对或四对以太网接口，用于调试或连接到平板电脑等传统 IT 硬件。如果需要，该交换机还可以支持 PoDL 为远程设备供电。

为了避免无意中混淆 SPE 和传统以太网段，SPE 使用 IEC 63171-6 连接器。该连接器是一个开放标准，提供 IP20 和 IP65/67 两种版本。制造商提供标准插入、推/拉和螺钉型配合面的连接器。此外，现有现场总线实施中的 M8 和 M12 连接器都有可供选择的选项。

展望

SPE 有望在工业 4.0 中发挥重要作用。 SPE 工业合作伙伴网络已经由 30 多家提供电缆、组件、PHY 芯片、以太网交换机和评估设备的制造商组成。 SPE 能够提供更高的性能、利用现有的电缆设备、提供电力并与传统的 IT 型以太网实施软件兼容，为在现有系统老化时更换有线传感器和执行器提供了相对低成本的升级途径. SPE 是工业自动化和汽车的未来吗？它当然有潜力。

本文由美国航空航天公司（加利福尼亚州埃尔塞贡多）的嵌入式系统架构师高级项目负责人 Mike Anderson 撰写。如需更多信息，请通过 [email protected] 联系安德森先生或访问此处 .