單對乙太網路的推出恰逢其時

作者 : Henry Muyshondt,Microchip Technology資深經理

IEEE 802.3cg SPE標準的發佈恰逢工業4.0初具雛形之時。工業4.0和汽車產業正在競相簡化其複雜的連接問題,同時每年也在增加更多感測器和其他可連接設備...

對於低資料速率設備,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乙太網路(Ethernet)標準可提供低成本且簡單的解決方案。

但該標準如何將乙太網路引入網路的最邊緣?它為什麼完全符合分區架構的趨勢?又將如何降低佈線複雜性並實現車輛工廠自動化?

世界上充斥著大量資料通訊協議,其中大多數都是為了提供盡可能高的資料速率而設計。但是,絕大多數設備(例如,開關和執行器)都很簡單,不會產生巨量資料,因此不需要高速通訊。世界上有數十億這樣的設備,並且其數量還在呈指數級成長。一段時間以來,人們需要的是一種簡單、低成本的資料通訊解決方案,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乙太網路佈線導入網路邊緣。

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,而且這種技術可以透過單平衡對乙太網路電纜實現10Mbps的資料速率。他們還希望在較短距離上實現多點通訊功能。儘管10Mbps聽起來不算多快,但對於控制開關、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,「工業乙太網路」(還無法以聚合的方式提供這些功能。

任務組中的汽車製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訊功能,其中每個節點連接到一根電纜,因而無需使用開關,並且需要更少的線路、開關埠和收發器。這種解決方案將使用乙太網路實現從最低到最高的所有速度。最終,大多數人都如願以償,結果是乙太網路10BASE-T1S可覆蓋至少25m的距離,10BASE-T1L可覆蓋高達1km的距離。而100BASE-T1和1000BASE-T1也被納入單對乙太網路(Single Pair Ethernet;SPE)的範疇。傳輸介質的範圍涵蓋一根雙絞線到PC板或伺服器背板上的其他線對配置和平行走線。相較於其他替代方案,所有這些都更易於安裝、更輕便、更靈活且成本更低(見1)。

 

1:連接標準比較。

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,只有10BASE-T1S提供多點通訊和點對點連接能力。其次,只有10BASE-T1S採用了實體層防衝突(PLCA),這是在汽車、工業和建築物自動化等需要固定性能的即時應用中使用時之關鍵要素。PLCA專門設計用於10BASEase-T1S等半雙工、多點通訊網路,並且避免了多點通訊混合段中發生載波偵聽多路存取與衝突檢測(CSMA/CD)問題。

CSMA/CD可能會表現出由資料衝突引起的隨機延遲。PLCA能夠提供克服這些限制的保證最大延遲和其他特性。PLCA部署到位後,傳輸週期從協調器節點(節點0)發送的信標開始,網路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資料,則將傳輸機會讓給節點2,依此類推,這一過程持續進行,直到為每個節點提供至少一次傳輸機會。然後,協調器節點會發起一個新週期,並發送另一個信標。為了防止節點阻塞匯流排,jabber功能會在節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點。結果對於資料輸送量並沒有影響,匯流排上也並未發生資料衝突。

1. Shown is the Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) architecture, which is designed for half-duplex, multidrop networks such as 10BASE-T1S. It eliminates the problems with CSMA/CD in multidrop mixing segments.

1:實體層防衝突(PLCA)

兩種解決方案都有可觀的好處,最重要的是乙太網路在全球範圍內廣泛用於資訊技術(IT)和操作技術(OT)領域,同時受到數百家公司的充份認可和支持。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,還透過每次反覆運算來保持其核心結構。這意味著在系統中使用乙太網路作為主要通訊協定時,不需要協定轉換和執行協定轉換所需的閘道。

從最簡單的低資料速率交換機到高資料速率感測器(例如,能產生大量資料並需要Gbps速度的攝影機),任何類型的設備都可以在不進行轉換的情況下得到支援。這些設備均可在乙太網路交換機中聚合,並用乙太網路的最高資料速率發送到雲端進行處理和分析。

2. How Ethernet extends from the edge to the cloud.

2:從邊緣到雲端的乙太網路。

對汽車製造商的益處

如果汽車製造商不僅要支援CAN匯流排,還要支援多個應用特定的標準,則為大多數功能採用單一協定可帶來極大的優勢。每個車型年份都會對ADAS系統進行增強,通常需要新的攝影機、雷達、超音波感測器(未來還會有光達),以及對資訊娛樂和導航系統的改善。

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英哩,重達250磅)。由於各種應用所需的電纜類型多樣化,而且每種類型都有其自己的要求,因此也面臨著電磁相容性(EMC)的問題。

為了滿足汽車將很快採用數億行程式碼的要求(目前採用1億行程式碼),汽車產業正在向基於乙太網路的分區電子/電氣(E/E)架構過渡,這種架構將感測器聚合到從分區閘道到主幹的單鏈路中。

3. Among today’s automotive networking megatrends is the transition to an Ethernet-based zonal electronic/electrical architecture.

3:網路大趨勢。

它幾乎完全基於乙太網路,其隨插即用功能特別適合未來定義車輛的服務導向型環境。設備可以即時連接和斷開,而不會停機,這是CAN匯流排的顯著優勢。也就是說,CAN匯流排多年來一直為汽車產業提供優質服務,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。

產業解決方案

儘管汽車產業將從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訊技術來互連設備,包括I²C到RS-485、UART和CAN等。它們連接從控制櫃佈線到溫度感測器、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組以及電腦背板等一切內容。其中許多設備僅需要低資料速率,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,但它可以透過連接使用各種短程無線解決方案(例如ZigBee、藍牙或Wi-Fi)的設備,在物聯網中發揮關鍵作用。正如許多早期採用者所瞭解的那樣,將無線應用於物聯網聽起來容易,但實現起來非常困難。這些解決方案顯然將在工業物聯網中發揮巨大作用,但考慮到乙太網路的優勢,它們不一定是惟一的解決方案。

其次,10BASE-T1S的多點通訊能力允許連接、刪除或更換許多設備,而不會影響整體網路性能,並且整個過程非常簡單。最後,幾乎每個設施中都採用了乙太網路,因此可以透過單一標準實現從雲端到邊緣的移動。還有一點非常重要,即隨著工業發展到第四代,分區方法也在該市場中得到應用,而乙太網路是首選解決方案。還有一些其他優勢,但僅僅這些就足以讓SPE極具吸引力。

實現10BASE-T1S需要為其提供支援的乙太網路收發器,例如Microchip的LAN867x系列乙太網路收發器。LAN8670/1/2允許創建多點通訊和點對點網路拓撲。它支援至少15m的點對點鏈路段,其多點通訊模式支援至少八個連接到最長25m公共混合段的收發器。值得注意的是,這是IEEE規範中的「最小最大值」。當系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3.3VDC電源供電,並具有整合的1.8VDC穩壓器,其溫度範圍為-40℃到+125℃,且符合工業EMC和EMI要求,適用於惡劣環境。

LAN8670/1/2支援通過標準MII/RMII介面與乙太網路MAC通訊,整合的串列管理介面可在高達4MHz的條件下提供快速暫存器存取和配置。對實體介質的存取由載波偵聽多路存取/衝突檢測(CSMA/CD)或實體層防衝突(PLCA)進行管理,PLCA透過避免實體層衝突來實現高頻寬利用率,並支持在高載模式下傳輸多個資料封包,適用於高資料包速率、延遲敏感型應用。

總結

IEEE 802.3cg SPE標準的發佈恰逢工業4.0初具雛形之時。工業4.0和汽車產業正在競相簡化其複雜的連接問題,同時每年也在增加更多感測器和其他可連接設備。10BASE-T1S和10BASE-T1L都為將乙太網路覆蓋範圍擴展到網路邊緣鋪路,同時為使用簡易雙芯電纜且無需千兆速度的低資料速率設備提供支援。簡而言之,它擁有顯著改變這些設備在工業環境和各種車輛中的連接方式的潛力。

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