在开发全新数据通讯协议时，通常关注的重点是进一步提高数据速率。然而，要确保工业和楼宇自动化应用中的许多感测器和执行器正常运行，需要的不仅仅是更快的数据速率而已。

这些「边缘」设备目前使用大量的传统多点通讯协议进行互联，使得原始设备制造商（OEM）支持这些设备将面临更复杂的境况，并且成本随之增加。为此，IEEE 成立了一个工作小组，研究短距离联网技术如何通过单对乙太网路（SPE）线缆实现 10 Mb/s 的数据速率，以满足工业 4.0、汽车以及其他市场领域的需求。

图1 : 工业 4.0 对工业网路提出了新要求（source：onsemi）

这一切最终促成了 2019 年 IEEE 802.3cg 标准的发布，现在该标准为「边缘」应用带来了SPE的优势。在本文中，阐述开发10BASE-T1S（基於这一新标准的 SPE 短距离版本）发展的驱动因素，然後介绍安森美（onsemi）全新乙太网路收发器的功能，该收发器可为工业自动化、楼宇自动化和以及其他应用提供10BASE-T1S的优势。

设置工业 SPE的应用场景

尽管当前某些点对点类型的单对乙太网路能够快速提供（并超越）工业应用所需数据速率，但现有的多点类型无法提供移动机器人和执行器所需的确定性，做到近??即时回应输入。这是因为这些类型使用载波侦测多重存取与碰撞侦测（CSMA/CD） 来调节对多点网路中共享介质（线缆）的访问。

CSMA/CD存在数据冲突引起的随机延迟，因此无法保证设备能够在规定的时间间隔内传输数据并与接收器可靠的通讯。为解决这一缺点，目前开发出一种用於 10BASE-T1S 的介质访问控制调节新方法。

10BASE-T1S 是一种网路协议，旨在通过长达25 m的线缆以高达10Mb/s的速率实现多点数据通讯。物理层冲突避免（PLCA）可保证半双工多点网路中的最大延迟。PLCA传输周期从协调器节点（节点 0）发送信标开始到其他网路节点同步结束。发送信标後，传输选择权就会转发至节点 1。如果该节点没有要发送的数据，选择权就会转至节点 2。此过程会一直持续到每个节点都获得了至少一次传输机会 （TO） 为止。然後，协调器节点会通过发送另一个信标的方式重新启动传输周期。

为防止节点阻断汇流排，每个传输机会只允许传输一定数量的帧，取决於突发模式设置控制，默认为每个传输机会（TO）1帧，但也可以设置为每个TO 128帧。汇流排不会出现任何数据冲突，因此吞吐量不会受到任何影响。

图2 : PLCA 介质访问控制周期（source：onsemi）

布线是在工业环境中部署传统乙太网路的另一个障碍。标准乙太网路线缆有四对电线，不仅增加了成本，而且也难以安装。10BASE-T1S专为使用单对电线而开发，因此更小巧、更易使用，成本也明显更低。

除了即时性能和确定性之外，在恶劣且嘈杂的电气环境下可靠工作是工业网路的一个关键要求。旧的乙太网路标准设计不具备电磁相容性（EMC），而10BASE-T1S在设计时考虑到这些恶劣的环境因素。因此，与其他工业网路相比，10BASE T1S具有出色的 EMC性能。

如今，即便使用无屏蔽单对线缆，也可以利用10BASE-T1S设计出满足3类 IEC61000-4-6 EMI 要求（10 Vrms 共模杂讯注入）的系统。PLCA 是提高电磁抗扰性的关键因素，因为消除冲突有助於物理层收发器使用先进技术，这样在电气杂讯比较大的环境下也能恢复讯号。

工业边缘的 SPE

工业设备原始设备制造商和工业设施营运商将会因10BASE-T1S在许多方面受益匪浅。在工厂环境下，许多通讯技术通常在物理层（PHY）连接设备（RS-485、UART），在资料链路层连接各种现场汇流排协议。这些节点以较低的数据速率将所有部件（包括温度和压力感测器、机器人和暖通空调（HVAC）执行器、风扇、电压监控器、电源转换器及其他模组）连接至控制柜。

10BASE-T1S的多点能力允许将这些设备连接至单根共用线缆，这意味着可以在不影响整体网路性能或不会导致进程停止的情况下移除（或更换）这些设备，从而大大简化网路维护，降低网路维护成本。用10BASE-T1S取代传统多点工业网路还可消除对大型交换机、闸道和协议转换器的需求，以及支持这些设备所需的额外布线和功率需求。

二合一 MACPHY 收发器

典型的 10BASE-T1S 乙太网路PHY控制器只提供通过无屏蔽单对线缆传输和接收数据所需的物理层功能，并支持通过独立的标准介质（MII）与 MAC 通讯。然而安森美的NCN26010（图 3）是一款符合IEE 802.3cg标准的乙太网路收发器，它将媒体访问控制器（MAC）、PLCA协调子层（RS）与10BASE-T1S PHY整合在单个封装，因此无需使用这种双层设计方法。

这意味着它可提供通过单一的无屏蔽双绞线传输和接收数据所需的所有物理层功能，并可通过开放联盟（Open Alliance）的MACPHY SPI 协议与主机 MCU通讯。通过在单个MACPHY设备中整合PHY和 MAC，可以将乙太网路与感测器以及其他使用中低端 MCCU的工业设备（无整合 MAC）搭配使用。这不仅显着降低了复杂性，并提供在系统初始安装後重新配置节点的灵活性。

图3 : NCN26010 10BASE-T1S 收发器（source：onsemi）

NCN26010还具有另外两个显着优势：

优势一

它具有增强的抗噪模式和出色的误码率（BER）性能，同时通过了IEC6100-4-6在10 Vrms条件下进行的抗扰度测试，确保在嘈杂的工厂环境下能够进行可靠的讯号检测。此功能使NCN26010能够在长达50 m的线缆上部署8个节点（IEEE 802.3cg 标准要求的2倍）。

优势二

该元件的线路引脚电容更低，最多可将40个节点连接至一根25 m长的单对电缆上（超出IEEE 802.3cg标准5倍）。NCN26010还可通过采用乙太网路的分层法来降低软体维护成本，因此更改乙太网路PHY不会影响上部软体层。NCN26010收发器可采用4 mm x 4mm QFN32 薄型封装或 5mm x 5mm TQFP32 封装。除了工业工厂，该收发器还可用於楼宇自动化（电梯和智慧感测器）、街道照明、铁路运输，以及其他汽车应用。

云-边缘互联

从最初主要用於连接计算设备到现在的许多形式，乙太网路已经取得了相当大的发展，能够满足许多不同应用的速度和距离要求。10BASE-T1S弥补了工厂车间中多点确定性应用以及其他边缘应用所需的缺失链路。

（本文作者Arndt Schuebel於安森美技术行销暨应用I4.0有线互联业务部）