在開發全新數據通訊協議時，通常關注的重點是進一步提高數據速率。然而，要確保工業和樓宇自動化應用中的許多感測器和執行器正常運行，需要的不僅僅是更快的數據速率而已。

這些「邊緣」設備目前使用大量的傳統多點通訊協議進行互聯，使得原始設備製造商（OEM）支持這些設備將面臨更複雜的境況，並且成本隨之增加。為此，IEEE 成立了一個工作小組，研究短距離聯網技術如何通過單對乙太網路（SPE）線纜實現 10 Mb/s 的數據速率，以滿足工業 4.0、汽車以及其他市場領域的需求。

圖1 : 工業 4.0 對工業網路提出了新要求（source：onsemi）

這一切最終促成了 2019 年 IEEE 802.3cg 標準的發佈，現在該標準為「邊緣」應用帶來了SPE的優勢。在本文中，闡述開發10BASE-T1S（基於這一新標準的 SPE 短距離版本）發展的驅動因素，然後介紹安森美（onsemi）全新乙太網路收發器的功能，該收發器可為工業自動化、樓宇自動化和以及其他應用提供10BASE-T1S的優勢。

設置工業 SPE的應用場景

儘管當前某些點對點類型的單對乙太網路能夠快速提供（並超越）工業應用所需數據速率，但現有的多點類型無法提供移動機器人和執行器所需的確定性，做到近乎即時回應輸入。這是因為這些類型使用載波偵測多重存取與碰撞偵測（CSMA/CD） 來調節對多點網路中共享介質（線纜）的訪問。

CSMA/CD存在數據衝突引起的隨機延遲，因此無法保證設備能夠在規定的時間間隔內傳輸數據並與接收器可靠的通訊。為解決這一缺點，目前開發出一種用於 10BASE-T1S 的介質訪問控制調節新方法。

10BASE-T1S 是一種網路協議，旨在通過長達25 m的線纜以高達10Mb/s的速率實現多點數據通訊。物理層衝突避免（PLCA）可保證半雙工多點網路中的最大延遲。PLCA傳輸週期從協調器節點（節點 0）發送信標開始到其他網路節點同步結束。發送信標後，傳輸選擇權就會轉發至節點 1。如果該節點沒有要發送的數據，選擇權就會轉至節點 2。此過程會一直持續到每個節點都獲得了至少一次傳輸機會 （TO） 為止。然後，協調器節點會通過發送另一個信標的方式重新啟動傳輸週期。

為防止節點阻斷匯流排，每個傳輸機會只允許傳輸一定數量的幀，取決於突發模式設置控制，默認為每個傳輸機會（TO）1幀，但也可以設置為每個TO 128幀。匯流排不會出現任何數據衝突，因此吞吐量不會受到任何影響。

圖2 : PLCA 介質訪問控制週期（source：onsemi）

佈線是在工業環境中部署傳統乙太網路的另一個障礙。標準乙太網路線纜有四對電線，不僅增加了成本，而且也難以安裝。10BASE-T1S專為使用單對電線而開發，因此更小巧、更易使用，成本也明顯更低。

除了即時性能和確定性之外，在惡劣且嘈雜的電氣環境下可靠工作是工業網路的一個關鍵要求。舊的乙太網路標準設計不具備電磁相容性（EMC），而10BASE-T1S在設計時考慮到這些惡劣的環境因素。因此，與其他工業網路相比，10BASE T1S具有出色的 EMC性能。

如今，即便使用無屏蔽單對線纜，也可以利用10BASE-T1S設計出滿足3類 IEC61000-4-6 EMI 要求（10 Vrms 共模雜訊注入）的系統。PLCA 是提高電磁抗擾性的關鍵因素，因為消除衝突有助於物理層收發器使用先進技術，這樣在電氣雜訊比較大的環境下也能恢復訊號。

工業邊緣的 SPE

工業設備原始設備製造商和工業設施營運商將會因10BASE-T1S在許多方面受益匪淺。在工廠環境下，許多通訊技術通常在物理層（PHY）連接設備（RS-485、UART），在資料鏈路層連接各種現場匯流排協議。這些節點以較低的數據速率將所有部件（包括溫度和壓力感測器、機器人和暖通空調（HVAC）執行器、風扇、電壓監控器、電源轉換器及其他模組）連接至控制櫃。

10BASE-T1S的多點能力允許將這些設備連接至單根共用線纜，這意味著可以在不影響整體網路性能或不會導致進程停止的情況下移除（或更換）這些設備，從而大大簡化網路維護，降低網路維護成本。用10BASE-T1S取代傳統多點工業網路還可消除對大型交換機、閘道和協議轉換器的需求，以及支持這些設備所需的額外佈線和功率需求。

二合一 MACPHY 收發器

典型的 10BASE-T1S 乙太網路PHY控制器只提供通過無屏蔽單對線纜傳輸和接收數據所需的物理層功能，並支持通過獨立的標準介質（MII）與 MAC 通訊。然而安森美的NCN26010（圖 3）是一款符合IEE 802.3cg標準的乙太網路收發器，它將媒體訪問控制器（MAC）、PLCA協調子層（RS）與10BASE-T1S PHY整合在單個封裝，因此無需使用這種雙層設計方法。

這意味著它可提供通過單一的無屏蔽雙絞線傳輸和接收數據所需的所有物理層功能，並可通過開放聯盟（Open Alliance）的MACPHY SPI 協議與主機 MCU通訊。通過在單個MACPHY設備中整合PHY和 MAC，可以將乙太網路與感測器以及其他使用中低端 MCCU的工業設備（無整合 MAC）搭配使用。這不僅顯著降低了複雜性，並提供在系統初始安裝後重新配置節點的靈活性。

圖3 : NCN26010 10BASE-T1S 收發器（source：onsemi）

NCN26010還具有另外兩個顯著優勢：

優勢一

它具有增強的抗噪模式和出色的誤碼率（BER）性能，同時通過了IEC6100-4-6在10 Vrms條件下進行的抗擾度測試，確保在嘈雜的工廠環境下能夠進行可靠的訊號檢測。此功能使NCN26010能夠在長達50 m的線纜上部署8個節點（IEEE 802.3cg 標準要求的2倍）。

優勢二

該元件的線路引腳電容更低，最多可將40個節點連接至一根25 m長的單對電纜上（超出IEEE 802.3cg標準5倍）。NCN26010還可通過採用乙太網路的分層法來降低軟體維護成本，因此更改乙太網路PHY不會影響上部軟體層。NCN26010收發器可採用4 mm x 4mm QFN32 薄型封裝或 5mm x 5mm TQFP32 封裝。除了工業工廠，該收發器還可用於樓宇自動化（電梯和智慧感測器）、街道照明、鐵路運輸，以及其他汽車應用。

雲-邊緣互聯

從最初主要用於連接計算設備到現在的許多形式，乙太網路已經取得了相當大的發展，能夠滿足許多不同應用的速度和距離要求。10BASE-T1S彌補了工廠車間中多點確定性應用以及其他邊緣應用所需的缺失鏈路。

（本文作者Arndt Schuebel於安森美技術行銷暨應用I4.0有線互聯業務部）