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如何將以太網(wǎng)引入到網(wǎng)絡(luò)的最邊緣

jf_pJlTbmA9 ? 來源:jf_pJlTbmA9 ? 作者:jf_pJlTbmA9 ? 2023-07-08 14:59 ? 次閱讀
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對于低數(shù)據(jù)速率設(shè)備,工業(yè)設(shè)施和汽車制造商需要一種經(jīng)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(wǎng)引入到網(wǎng)絡(luò)的最邊緣

它為什么完全符合分區(qū)架構(gòu)的趨勢

它將如何降低布線復雜性并實現(xiàn)車輛工廠自動化

世界上充斥著大量數(shù)據(jù)通信協(xié)議,其中大多數(shù)都是為了提供盡可能高的數(shù)據(jù)速率而設(shè)計的。但是,絕大多數(shù)設(shè)備(例如,開關(guān)和執(zhí)行器)都很簡單,不會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù),因此不需要高速通信。世界上有數(shù)十億這樣的設(shè)備,并且其數(shù)量還在呈指數(shù)級增長。一段時間以來,人們需要的是一種簡單、低成本的數(shù)據(jù)通信解決方案,同時它還要能夠為工業(yè)、汽車和其他市場中的所有此類設(shè)備提供服務(wù)。該解決方案已于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(wǎng)布線引入到網(wǎng)絡(luò)邊緣。

這項標準由IEEE任務(wù)組發(fā)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(shù),并且這種技術(shù)可以通過單平衡對以太網(wǎng)電纜實現(xiàn)10 Mbps的數(shù)據(jù)速率。他們還希望在較短距離上實現(xiàn)多點通信功能。盡管10 Mbps聽起來不算多快,但對于控制開關(guān)、繼電器、執(zhí)行器或機械臂以及許多其他設(shè)備而言已經(jīng)足夠,并且在當時,“工業(yè)以太網(wǎng)”還無法以聚合的方式提供這些功能。

任務(wù)組中的汽車制造商要求提供一種覆蓋更短距離的解決方案,這種解決方案需要具備相同的基本功能和多點通信功能,其中每個節(jié)點連接到一根電纜,因而無需使用開關(guān),并且需要更少的線路、開關(guān)端口和收發(fā)器。這種解決方案將使用以太網(wǎng)實現(xiàn)從最低到最高的所有速度。最終,大多數(shù)人都如愿以償,結(jié)果是以太網(wǎng)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(wǎng)(SPE)的范疇。傳輸介質(zhì)的范圍涵蓋一根雙絞線到PC板或服務(wù)器背板上的其他線對配置和并行走線。與其他替代方案相比,所有這些都更易于安裝、更輕便、更靈活且成本更低(見表1)。

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表1. 連接標準對比

基礎(chǔ)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(qū)別。首先,只有10BASE-T1S提供多點通信和點對點連接能力。其次,只有10BASE-T1S采用了物理層防沖突(PLCA),這是在汽車、工業(yè)和樓宇自動化等需要固定性能的實時應(yīng)用中使用時的關(guān)鍵要素。PLCA專門設(shè)計用于10BASEase-T1S等半雙工、多點通信網(wǎng)絡(luò),并且避免了多點通信混合段中發(fā)生載波偵聽多路訪問與沖突檢測(CSMA/CD)問題。

CSMA/CD可能會表現(xiàn)出由數(shù)據(jù)沖突引起的隨機延時。PLCA能夠提供克服這些限制的保證最大延時和其他特性。PLCA部署到位后,傳輸周期從協(xié)調(diào)器節(jié)點(節(jié)點0)發(fā)送的信標開始,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用該信標進行同步。

在發(fā)送信標后,傳輸機會將傳遞給節(jié)點1。如果該節(jié)點沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù),則將傳輸機會讓給節(jié)點2,依此類推,這一過程持續(xù)進行,直到為每個節(jié)點提供至少一次傳輸機會。然后,協(xié)調(diào)器節(jié)點會發(fā)起一個新周期,并發(fā)送另一個信標。為了防止節(jié)點阻塞總線,jabber功能會在節(jié)點傳輸超過分配的時間時將其中斷,從而允許傳輸下一個節(jié)點。結(jié)果是對數(shù)據(jù)吞吐量沒有影響,總線上也沒有發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。

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圖1. 物理層防沖突(PLCA)

兩種解決方案都有可觀的好處,最重要的是以太網(wǎng)在全球范圍內(nèi)廣泛用于信息技術(shù)(IT)和操作技術(shù)(OT)領(lǐng)域,同時受到數(shù)百家公司的充分認可和支持。這種解決方案的成本相對較低且在不斷降低,自其推出以來,還通過每次迭代來保持其核心結(jié)構(gòu)。這意味著在系統(tǒng)中使用以太網(wǎng)作為主要通信協(xié)議時,不需要協(xié)議轉(zhuǎn)換和執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換所需的網(wǎng)關(guān)。

從最簡單的低數(shù)據(jù)速率交換機到高數(shù)據(jù)速率傳感器(例如,能產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)并需要Gbps速度的攝像頭),任何類型的設(shè)備都可以在不進行轉(zhuǎn)換的情況下得到支持。這些設(shè)備均可在以太網(wǎng)交換機中聚合,并用以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)速率發(fā)送到云端進行處理和分析。

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圖2. 從邊緣到云端的以太網(wǎng)

對汽車制造商的益處

如果汽車制造商不僅要支持CAN總線,還要支持多個應(yīng)用特定的標準,則為大多數(shù)功能采用單一協(xié)議可帶來極大的優(yōu)勢。每個車型年份都會對ADAS系統(tǒng)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系統(tǒng)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個電子控制單元(ECU)和300根電線(總長2.5英里,重達250磅)。由于各種應(yīng)用所需的電纜類型多種多樣,并且每種類型都有其自己的要求,因此也面臨著電磁兼容性(EMC)的問題。

為了滿足汽車將很快采用數(shù)億行代碼的要求(目前采用1億行代碼),汽車行業(yè)正在向基于以太網(wǎng)的分區(qū)電子/電氣(E/E)架構(gòu)過渡,這種架構(gòu)將傳感器聚合到從分區(qū)網(wǎng)關(guān)到主干的單鏈路中。

它幾乎完全基于以太網(wǎng),其即插即用功能特別適合未來定義車輛的服務(wù)導向型環(huán)境。設(shè)備可以實時連接和斷開,而不會停機,這是CAN總線的顯著優(yōu)勢。也就是說,CAN總線多年來一直為汽車行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù),并將繼續(xù)為其最適合的應(yīng)用提供服務(wù),因此它可能會存在很多年。

行業(yè)解決方案

盡管汽車行業(yè)將從10BASE-T1S中獲益最多,但出于以下幾個原因,工業(yè)領(lǐng)域也可從10BASE-T1S和10BASE-T1L中獲益匪淺。首先,工業(yè)設(shè)施使用許多不同的通信技術(shù)來互連設(shè)備,包括I2C到RS-485、UART和CAN等。它們連接從控制柜布線到溫度傳感器、HVAC執(zhí)行器、電梯、風扇、電壓監(jiān)視器、直流到直流轉(zhuǎn)換器和其他模塊以及計算機背板等一切內(nèi)容。其中許多設(shè)備僅需要低數(shù)據(jù)速率,而這些標準正是為它們而設(shè)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?)的設(shè)備,在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。正如許多早期采用者所了解的那樣,將無線應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)聽起來容易,但實現(xiàn)起來非常困難。這些解決方案顯然將在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮巨大作用,但考慮到以太網(wǎng)的優(yōu)勢,它們不一定是惟一的解決方案。

其次,10BASE-T1S的多點通信能力允許連接、刪除或更換許多設(shè)備,而不會影響整體網(wǎng)絡(luò)性能,并且整個過程非常簡單。最后,幾乎每個設(shè)施中都采用了以太網(wǎng),因此可以通過單一標準實現(xiàn)從云端到邊緣的移動。還有一點非常重要,即隨著工業(yè)發(fā)展到第四代,分區(qū)方法也在該市場中得到應(yīng)用,而以太網(wǎng)是首選解決方案。還有一些其他優(yōu)勢,但僅僅這些就足以讓SPE極具吸引力。

首款收發(fā)器

實現(xiàn)10BASE-T1S需要為其提供支持的以太網(wǎng)收發(fā)器,而為10BASE-T1S提供服務(wù)的首款產(chǎn)品是Microchip的LAN867x系列以太網(wǎng)收發(fā)器。LAN8670/1/2允許創(chuàng)建多點通信和點對點網(wǎng)絡(luò)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(fā)器。請注意,這是IEEE規(guī)范中的“最小最大值”。當系統(tǒng)實現(xiàn)者驗證正確的操作時,發(fā)現(xiàn)可以支持更多節(jié)點和更遠距離。收發(fā)器由單個3.3 VDC電源供電,并具有集成的1.8 VDC穩(wěn)壓器,其溫度范圍為-40°C到+125°C,且符合工業(yè)EMC和EMI要求,適用于惡劣環(huán)境。

LAN8670/1/2支持通過標準MII/RMII接口與以太網(wǎng)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(zhì)的訪問由載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)或物理層防沖突(PLCA)進行管理,PLCA通過避免物理層沖突來實現(xiàn)高帶寬利用率,并支持在突發(fā)模式下傳輸多個數(shù)據(jù)包,適用于高數(shù)據(jù)包速率、延時敏感型應(yīng)用。

為了讓設(shè)計人員更輕松地轉(zhuǎn)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(chuàng)建的設(shè)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(jié)點,并且它隨附適用于Linux和Windows的驅(qū)動程序。此外,Microchip的MPLAB? Harmony開發(fā)框架還支持將10BASE-T1S技術(shù)與Microchip單片機微處理器集成。

總結(jié)

IEEE 802.3cg SPE標準的發(fā)布恰逢工業(yè)4.0初具雛形之時。工業(yè)4.0和汽車行業(yè)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(shè)備。10BASE-T1S和10BASE-T1L都為將以太網(wǎng)覆蓋范圍擴展到網(wǎng)絡(luò)邊緣鋪平了道路,同時為使用簡易雙芯電纜且無需千兆速度的低數(shù)據(jù)速率設(shè)備提供支持。簡而言之,它擁有顯著改變這些設(shè)備在工業(yè)環(huán)境和各種車輛中的連接方式的潛力。

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