Ethernet-APL，一種新興的以太網(wǎng)高級(jí)物理層，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是基于單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）的增強(qiáng)物理層。它按照2019年11月7日批準(zhǔn)的新10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定了在危險(xiǎn)場(chǎng)所使用的實(shí)施和防爆方法，使得在危險(xiǎn)的過(guò)程自動(dòng)化設(shè)施中部署高速、支持以太網(wǎng)儀器的進(jìn)展又邁了一大步。

（圖源：Ethernet-APL | FieldComm）

Ethernet-APL全雙工，可以通過(guò)長(zhǎng)達(dá)1000m的電纜進(jìn)行通信，速度最高可以達(dá)到10 MBit/s，其能實(shí)現(xiàn)的理想效果對(duì)比HART或現(xiàn)場(chǎng)總線等當(dāng)前廣泛應(yīng)用的技術(shù)可以說(shuō)不在一個(gè)層次上。Ethernet-APL作為以太網(wǎng)的邏輯擴(kuò)展，提供了過(guò)程工廠現(xiàn)場(chǎng)可靠運(yùn)行所需的屬性。作為高級(jí)物理層它能夠支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高級(jí)別的協(xié)議。

Ethernet-APL為了解決連接中的無(wú)縫挑戰(zhàn)

雖然我們已經(jīng)對(duì)以太網(wǎng)已經(jīng)了解了不少，但以太網(wǎng)在實(shí)際使用中仍任經(jīng)常遇到不少挑戰(zhàn)，功率的挑戰(zhàn)、帶寬的挑戰(zhàn)、布線的挑戰(zhàn)、通信距離的挑戰(zhàn)乃至于危險(xiǎn)工況的挑戰(zhàn)。以太網(wǎng)高級(jí)物理層給予了一種新的可能，即從現(xiàn)場(chǎng)到云端的無(wú)縫融合。這個(gè)無(wú)縫是相比4mA至20mA、現(xiàn)場(chǎng)總線而言，這二者復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)稱不上無(wú)縫連接。

而以太網(wǎng)已部署在自動(dòng)化金字塔的上層，并在現(xiàn)場(chǎng)與四線以太網(wǎng)設(shè)備結(jié)合，如驅(qū)動(dòng)器、流量、分析儀和電機(jī)控制中心。然而，它仍然需要增強(qiáng)，來(lái)支持工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用程序。以太網(wǎng)高級(jí)物理層為的就是增加標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的通用性和通信速度。我們不妨把它看作以太網(wǎng)連接的“最后一米”，這最后一米的實(shí)現(xiàn)將允許任何設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)的所有區(qū)域獲取數(shù)據(jù)。

在自動(dòng)化應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的距離一直是將現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)物理層技術(shù)限制在原地進(jìn)展緩慢的重大挑戰(zhàn)，Ethernet-APL 應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)將通信距離拉長(zhǎng)到1公里，并以極低的功耗和極高的可靠性連接到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

Ethernet-APL支持兩種幅度模式，一種是1000m線纜的2.4V峰值，一種是縮短距離的1.0V峰值。后一種模式的峰值幅度意味著這種以太網(wǎng)高級(jí)物理層滿足嚴(yán)格的最大能量限制，能夠在防爆系統(tǒng)中使用。至于數(shù)據(jù)和電力的同時(shí)傳輸在此前單對(duì)以太網(wǎng)中已經(jīng)講過(guò)了，二者都能滿足長(zhǎng)距離傳輸。

（自動(dòng)化領(lǐng)域連接技術(shù)屬性對(duì)比，Ethernet-APL | FieldComm）

細(xì)數(shù)以太網(wǎng)高級(jí)物理層優(yōu)勢(shì)

首先對(duì)4mA至20mA（帶HART）、現(xiàn)場(chǎng)總線以及10BASE-T1L通信做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，從數(shù)據(jù)帶寬上來(lái)看，4mA至20mA的貸款在1.2kbps，現(xiàn)場(chǎng)總線的帶寬在31.25kbps，10BASE-T1L為10Mbps，帶寬上新標(biāo)準(zhǔn)占據(jù)的優(yōu)勢(shì)太明顯；從功率來(lái)看，小于40mW的4mA至20mA以及功率極有限的現(xiàn)場(chǎng)總線也很難和IS下500mW非IS下60W的10BASE-T1L抗衡。

從另一方面來(lái)說(shuō)，通過(guò)在高級(jí)物理層上的融合，昂貴、復(fù)雜且耗電的網(wǎng)關(guān)將被取代，這種實(shí)現(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的契機(jī)是上下游都很看重的。原本分散的基礎(chǔ)設(shè)施，分散的信息孤島，分散的數(shù)據(jù)訪問(wèn)在此契機(jī)下被全部打通。

上面我們說(shuō)到了供電功率，以太網(wǎng)高級(jí)物理層根據(jù)使用的電纜，目前最高能夠提供60W的功率。這大大提升了以往的功率限制，意味著更多設(shè)備、更多功能能夠被啟用。尤其是隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可用功率的限制一直是掣肘多應(yīng)用發(fā)展的攔路虎。高級(jí)物理層的入場(chǎng)將大大提升測(cè)量的性能與數(shù)據(jù)邊緣處理的能力。

要與支持以太網(wǎng)高級(jí)物理層的設(shè)備進(jìn)行通信，需要具有集成介質(zhì)訪問(wèn)控制的主機(jī)處理器或具有10BASE-T1L端口的以太網(wǎng)交換機(jī)，半導(dǎo)體制造商能夠?qū)⒃摷夹g(shù)無(wú)縫地集成到現(xiàn)有的設(shè)備或儀器中。

（Ethernet-APL現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備數(shù)據(jù)連接與10BASE-T1L PHY，ADI）

這種物理層設(shè)備，可通過(guò)串行外設(shè)接口SPI與各種主機(jī)控制器直接連接，這種SPI支持使用低功耗處理器而無(wú)需集成 MAC，整體功耗上直接從系統(tǒng)級(jí)上做了優(yōu)化。為了保證整個(gè)物理層設(shè)備芯片系統(tǒng)的穩(wěn)定性，半導(dǎo)體廠商會(huì)內(nèi)部集成電壓電源監(jiān)控和上電復(fù)位電路。

基于以太網(wǎng)高級(jí)物理層系統(tǒng)的固有診斷可以很輕易地確定網(wǎng)絡(luò)的魯棒性、檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和識(shí)別狀態(tài)并檢測(cè)，在各類工廠的終端節(jié)點(diǎn)傳感器上已經(jīng)有不少亮眼的應(yīng)用。

小結(jié)

Ethernet-APL直接影響了跨行業(yè)的IT/OT網(wǎng)絡(luò)融合，借助基于以太網(wǎng)的物理層，下游應(yīng)用可以在集成了Ethernet-APL的設(shè)備上自由實(shí)施多種協(xié)議，其從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到云端的普適性，將會(huì)在工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了讓人意想不到的革新。