单对以太网：可靠的工业连接

在日益依赖无线通信的世界里，有线世界似乎过时了。然而在工业物联网（IIoT）中，有线连接仍是常态。工业环境维持有线连接有多重理由，包括射频干扰、拥挤无线电频段、许可要求和简单的响应性。

传统上，工业应用采用较老的现场总线技术，如Profibus、Modbus、CAN等。这些技术通常基于双绞线布线，性能一般在1Mbps或更低。工业界成本为王，因此传感器和执行器布线必须廉价且耐用。因此单双绞线布线是标准。

尽管如此，我们正见证第四次工业革命（即工业4.0，I4）的扩展。I4特征是大规模机器对机器（M2M）通信和物联网部署以增加自动化。目标是部署能无人干预运行、分析数据、采取行动的智能设备。I4成功关键在于连接性和性能，且信号中间转换最小化以避免延迟。此外，物联网要素常聚焦于从传感器无缝通信数据至云端。当今这意味着使用IP协议栈。

遗憾的是，传统现场总线技术通常不传递IP帧。这意味着需要转换盒将Profibus或CAN帧转IP及反之，引入延迟并增加成本。且这些现场总线技术与Wi-Fi或5G蜂窝等现代通信相比相对较慢，需新方法支持I4日益增长的通信需求。

借鉴汽车进展

汽车领域，高级驾驶辅助系统（ADAS）传感器数据量激增。像传统工业应用一样，汽车应用依赖CAN等现场总线技术进行ECU与传感器/执行器（如ABS、排放控制等）通信。但CAN的1Mbps速率限制，甚至CAN-FD增强数据率（高达5Mbps）均不足以满足现代ADAS车辆的多路摄像头、雷达和激光雷达。汽车应用需要可靠、高速网络能力，缩短新功能上市时间并减轻重量。此外，车内支持IP将简化软件开发，减少协议转换器需求。

若从IT界借鉴，以太网在无线协议下仍是绝对主导技术。以太网是云基础设施内提供高达400Gbps保证性能的骨干。但传统以太网通常用两对或四对布线或光纤。对比单对CAN总线，传统以太网布线更贵、更重（两/四对）或不够稳健（光纤）。因此能处理1Gbps级数据率的单对以太网将是理想选择。xBASE-T1单对以太网（SPE）应运而生。

SPE标准化

IEEE 802.3工作组负责以太网相关标准。1983年首次标准化以来，以太网诸多形式已超越ARCNET、FDDI、Token Ring等竞争技术。最初基于同轴电缆，演进为屏蔽和非屏蔽双绞线，90年代初无处不在的RJ45（8P8C）连接器成为IT计算设备常见配置。

原始10BASE-T实现依赖两对线，一对差分用于发送，一对用于接收。限于10Mbit/s，此标准比原始同轴方法快得多，但采用星型而非同轴解决方案的总线拓扑。星型布线强制使用集中式集线器即以太网交换机处理连接至交换机端口设备间的数据移动。同两对线方案延续至快速以太网（100BASE-T），支持高达100Mbit/s。千兆以太网（1000BASE-T）引入时，线对数加倍至四对，数据率跃升一个数量级。

除数据率变化，以太网供电（PoE - IEEE 802.at-2009）技术引入多种替代方式在同一以太网电缆上传输电力。支持48VDC下高达25.5W供电，PoE允许为监控摄像头和无线接入点等远程设备供电。后续版本称数据线供电（PoDL – IEEE 802.3bu-2016），允许在12、24或48VDC下传输高达50W。PoDL专为xBASE-T1 SPE市场开发，允许数据和电力通过单线对传输。

xBASE-T1标准可进一步细分为10BASE-T1L（IEEE 802.3cg）、100BASE-T1（IEEE 802.3bw）和1000BASE-T1（IEEE 802.3bp）。下表总结这些变体主要特性：

10BASE-T1L中“L”代表“长距离”，因其1公里长度（许多实现依线缆质量和连接器类型实际可超1公里）。SPE规范众多优势之一是可利用现有单双绞线现场总线布线，对工业应用是巨大节省。加上PoDL，远程设备可在同一线缆段上同时通信和供电。额外益处是10Mbit/s数据率显著快于其取代的现场总线实现。

T1L变体针对点对点应用，也有“短距离”变体（10BASE-T1S）采用多点布线替代20mA环路和CAN等常见现场总线版本。T1S覆盖显著缩短至25米。但多点布线允许单线缆布线配单端口接口为媒体访问PHY。

为支持多点接入并避免线缆潜在争用，有两种方法。一是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD），回溯1980年代原始以太网实现。此法中各站先监听总线流量再发送。若多站同时发送，检测冲突，各站停止发送，等待短随机时间，再重复监听空闲总线并尝试发送。此法简单，但给通信引入随机性，会带来延迟。

若应用对延迟特别敏感，可在CSMA/CD基础上添加物理层冲突避免（PLCA）机制，指定一站为主站，发送信标仅允许信标指定站发送（类似令牌环实现）。这通过为各站提供指定时隙、避免站数增至31站最大值时的潜在冲突，实现确定性。注意PoDL尚未定义用于多点应用。

以太网即以太网

SPE显著优势之一是归根结底它是以太网。就协议栈而言，SPE与其他以太网段无异。这意味着可轻松在SPE实现上使用IPv4/IPv6协议。这极大节省软件开发时间，软件团队可使用标准基于IP的API通信。无需从现场总线变体转协议至IP再转回，从而降低延迟并消除协议转换器设备成本。

SPE交换机自动速率检测也像典型四对以太网交换机一样可能。因此一交换机可处理10BASE-T1、100BASE-T1、1000BASE-T1段，同时支持传统两/四对以太网接口用于调试或连接面板PC等传统IT硬件。交换机也可支持PoDL为远程设备供电。

为避免无意混淆SPE和传统以太网段，SPE使用IEC 63171-6连接器。此连接器为开放标准，提供IP20和IP65/67版本。制造商提供标准插入、推拉和螺纹式配合面。此外还有现有现场总线实现中的M8和M12连接器选项。

展望

SPE有望在工业4.0中扮演重要角色。SPE工业合作伙伴网络已汇聚30多家制造商，提供线缆、组件、PHY芯片、以太网交换机和评估设备。凭借提供更高性能、利用现有线缆设施、供电、与传统IT型以太网实现软件兼容等能力，SPE为替换老化有线传感器和执行器提供相对低成本升级路径。SPE是工业自动化和汽车的未来？它当然有这个潜力。

本文由The Aerospace Corporation高级项目负责人/嵌入式系统架构师Mike Anderson撰写（加州埃尔塞贡多）。更多信息请联系Anderson先生：michael.e.anderson@aero.org或访问此处 .