【導讀】對於低數據速率設備，工業設施和汽車製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。

對於低數據速率設備，工業設施和汽車製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
• 它為什麼完全符合分區架構的趨勢
• 它將如何降低布線複雜性並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(dou)很(hen)簡(jian)單(dan)


，不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)海(hai)量(liang)數(shu)據(ju)，因(yin)此(ci)不(bu)需(xu)要(yao)高(gao)速(su)通(tong)信(xin)。世(shi)界(jie)上(shang)有(you)數(shu)十(shi)億(yi)這(zhe)樣(yang)的(de)設(she)備(bei)，並(bing)且(qie)其(qi)數(shu)量(liang)還(hai)在(zai)呈(cheng)指(zhi)數(shu)級(ji)增(zeng)長(chang)。一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)以(yi)來(lai)

，人(ren)們(men)需(xu)要(yao)的(de)是(shi)一(yi)種(zhong)簡(jian)單(dan)、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。該解決方案已於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，並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，但對於控製開關、繼電器、執行器或機械臂以及許多其他設備而言已經足夠，並且在當時，“工業以太網”還無法以聚合的方式提供這些功能。

任ren務wu組zu中zhong的de汽qi車che製zhi造zao商shang要yao求qiu提ti供gong一yi種zhong覆fu蓋gai更geng短duan距ju離li的de解jie決jue方fang案an
，這zhe種zhong解jie決jue方fang案an需xu要yao具ju備bei相xiang同tong的de基ji本ben功gong能neng和he多duo點dian通tong信xin功gong能neng，其qi中zhong每mei個ge節jie點dian連lian接jie到dao一yi根gen電dian纜lan，因yin而er無wu需xu使shi用yong開kai關guan，並bing且qie需xu要yao更geng少shao的de線xian路lu、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，大多數人都如願以償，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）的範疇。傳輸介質的範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並行走線。與其他替代方案相比，所有這些都更易於安裝、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，隻有10BASE-T1S提供多點通信和點對點連接能力。其次，隻有10BASE-T1S采用了物理層防衝突（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專門設計用於10BASEase-T1S等半雙工、多點通信網絡
，並且避免了多點通信混合段中發生載波偵聽多路訪問與衝突檢測（CSMA/CD）問題。

CSMA/CD可能會表現出由數據衝突引起的隨機延時。PLCA能夠提供克服這些限製的保證最大延時和其他特性。PLCA部署到位後，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。

在發送信標後，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(yi)此(ci)類(lei)推(tui)，這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)持(chi)續(xu)進(jin)行(xing)，直(zhi)到(dao)為(wei)每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)提(ti)供(gong)至(zhi)少(shao)一(yi)次(ci)傳(chuan)輸(shu)機(ji)會(hui)。然(ran)後(hou)，協(xie)調(tiao)器(qi)節(jie)點(dian)會(hui)發(fa)起(qi)一(yi)個(ge)新(xin)周(zhou)期(qi)，並(bing)發(fa)送(song)另(ling)一(yi)個(ge)信(xin)標(biao)。為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)節(jie)點(dian)阻(zu)塞(sai)總(zong)線(xian)，jabber功(gong)能(neng)會(hui)在(zai)節(jie)點(dian)傳(chuan)輸(shu)超(chao)過(guo)分(fen)配(pei)的(de)時(shi)間(jian)時(shi)將(jiang)其(qi)中(zhong)斷(duan)，從(cong)而(er)允(yun)許(xu)傳(chuan)輸(shu)下(xia)一(yi)個(ge)節(jie)點(dian)。結(jie)果(guo)是(shi)對(dui)數(shu)據(ju)吞(tun)吐(tu)量(liang)沒(mei)有(you)影(ying)響(xiang)

，總(zong)線(xian)上(shang)也(ye)沒(mei)有(you)發(fa)生(sheng)數(shu)據(ju)衝(chong)突(tu)。

圖1. 物理層防衝突（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範圍內廣泛用於信息技術（IT）和操作技術（OT）領ling域yu，同tong時shi受shou到dao數shu百bai家jia公gong司si的de充chong分fen認ren可ke和he支zhi持chi。這zhe種zhong解jie決jue方fang案an的de成cheng本ben相xiang對dui較jiao低di且qie在zai不bu斷duan降jiang低di
，自zi其qi推tui出chu以yi來lai，還hai通tong過guo每mei次ci迭die代dai來lai保bao持chi其qi核he心xin結jie構gou。這zhe意yi味wei著zhe在zai係xi統tong中zhong使shi用yong以yi太tai網wang作zuo為wei主zhu要yao通tong信xin協xie議yi時shi，不bu需xu要yao協xie議yi轉zhuan換huan和he執zhi行xing協xie議yi轉zhuan換huan所suo需xu的de網wang關guan。

從最簡單的低數據速率交換機到高數據速率傳感器（例如，能產生大量數據並需要Gbps速度的攝像頭），任(ren)何(he)類(lei)型(xing)的(de)設(she)備(bei)都(dou)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)進(jin)行(xing)轉(zhuan)換(huan)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)得(de)到(dao)支(zhi)持(chi)。這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)均(jun)可(ke)在(zai)以(yi)太(tai)網(wang)交(jiao)換(huan)機(ji)中(zhong)聚(ju)合(he)，並(bing)用(yong)以(yi)太(tai)網(wang)的(de)最(zui)高(gao)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)發(fa)送(song)到(dao)雲(yun)端(duan)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)和(he)分(fen)析(xi)。

圖2. 從邊緣到雲端的以太網

對汽車製造商的益處

如果汽車製造商不僅要支持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係統進行增強
，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係統的改進。

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個電子控製單元（ECU）和300根電線（總長2.5英裏，重達250磅）。由於各種應用所需的電纜類型多種多樣，並且每種類型都有其自己的要求，因此也麵臨著電磁兼容性（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），汽車行業正在向基於以太網的分區電子/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幹的單鏈路中。

圖3. 網絡大趨勢

它幾乎完全基於以太網，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，並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
，但出於以下幾個原因
，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。它們連接從控製櫃布線到溫度傳感器
、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(de)設(she)備(bei)，在(zai)物(wu)聯(lian)網(wang)中(zhong)發(fa)揮(hui)關(guan)鍵(jian)作(zuo)用(yong)。正(zheng)如(ru)許(xu)多(duo)早(zao)期(qi)采(cai)用(yong)者(zhe)所(suo)了(le)解(jie)的(de)那(na)樣(yang)
，將(jiang)無(wu)線(xian)應(ying)用(yong)於(yu)物(wu)聯(lian)網(wang)聽(ting)起(qi)來(lai)容(rong)易(yi)，但(dan)實(shi)現(xian)起(qi)來(lai)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)。這(zhe)些(xie)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)顯(xian)然(ran)將(jiang)在(zai)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)中(zhong)發(fa)揮(hui)巨(ju)大(da)作(zuo)用(yong)
，但(dan)考(kao)慮(lv)到(dao)以(yi)太(tai)網(wang)的(de)優(you)勢(shi)，它(ta)們(men)不(bu)一(yi)定(ding)是(shi)惟(wei)一(yi)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

其次，10BASE-T1S的多點通信能力允許連接、刪shan除chu或huo更geng換huan許xu多duo設she備bei，而er不bu會hui影ying響xiang整zheng體ti網wang絡luo性xing能neng，並bing且qie整zheng個ge過guo程cheng非fei常chang簡jian單dan。最zui後hou，幾ji乎hu每mei個ge設she施shi中zhong都dou采cai用yong了le以yi太tai網wang，因yin此ci可ke以yi通tong過guo單dan一yi標biao準zhun實shi現xian從cong雲yun端duan到dao邊bian緣yuan的de移yi動dong。還hai有you一yi點dian非fei常chang重zhong要yao，即ji隨sui著zhe工gong業ye發fa展zhan到dao第di四si代dai
，分fen區qu方fang法fa也ye在zai該gai市shi場chang中zhong得de到dao應ying用yong，而er以yi太tai網wang是shi首shou選xuan解jie決jue方fang案an。還hai有you一yi些xie其qi他ta優you勢shi，但dan僅jin僅jin這zhe些xie就jiu足zu以yi讓rangSPE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係列以太網收發器。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規範中的“最小最大值”。當係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
，並具有集成的1.8 VDC穩壓器
，其溫度範圍為-40°C到+125°C，且符合工業EMC和EMI要求
，適用於惡劣環境。

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/衝突檢測（CSMA/CD）或物理層防衝突（PLCA）進行管理，PLCA通過避免物理層衝突來實現高帶寬利用率，並支持在突發模式下傳輸多個數據包，適用於高數據包速率、延時敏感型應用。

為了讓設計人員更輕鬆地轉移到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，並且它隨附適用於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dou為wei將jiang以yi太tai網wang覆fu蓋gai範fan圍wei擴kuo展zhan到dao網wang絡luo邊bian緣yuan鋪pu平ping了le道dao路lu，同tong時shi為wei使shi用yong簡jian易yi雙shuang芯xin電dian纜lan且qie無wu需xu千qian兆zhao速su度du的de低di數shu據ju速su率lv設she備bei提ti供gong支zhi持chi。簡jian而er言yan之zhi
，它ta擁yong有you顯xian著zhu改gai變bian這zhe些xie設she備bei在zai工gong業ye環huan境jing和he各ge種zhong車che輛liang中zhong的de連lian接jie方fang式shi的de潛qian力li。

（來源：Microchip，作者：Henry Muyshondt高級經理）

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