【導讀】工業(yè)4.0可以用圖1所示的自上而下的層級金字塔來說明，人工智能（AI）、機器學習（ML）、計劃、執(zhí)行、自動化、跟蹤、庫存控制、監(jiān)督控制和編組占據(jù)了工廠的前三層，底部的藍色層是工廠車間，其中邊緣節(jié)點如機器人、執(zhí)行器、運動部件、傳感器和閥門在生產(chǎn)線上執(zhí)行制造工作。
10BASE-T1S是實現(xiàn)工業(yè)4.0、汽車 IVN和智能建筑中邊緣設備全以太網(wǎng)化的缺失環(huán)節(jié)，可與促進人工智能和機器學習的100/1000BASE-T1以太網(wǎng)主干網(wǎng)對接。這是因為10BASE-T1S可直接連接到以太網(wǎng)MAC層下數(shù)據(jù)鏈路層 (L2) 的現(xiàn)有OSI參考模型層，無需使用低效且昂貴的協(xié)議網(wǎng)關(guān)。10BASE-T1S多點傳送SPE也是10BASE-T1L長距離（1千米）點對點傳輸?shù)淖罴蜒a充。《邊緣設備全以太網(wǎng)方案：10BASE-T1S》白皮書將系統(tǒng)介紹探討10BASE-T1S如何在工業(yè)和汽車中運作，本文為第一部分，將介紹工業(yè)4.0概述、汽車區(qū)域控制與全以太網(wǎng)化、相關(guān)標準等。
工業(yè)4.0:誘人的方案
工業(yè)4.0可以用圖1所示的自上而下的層級金字塔來說明，人工智能（AI）、機器學習（ML）、計劃、執(zhí)行、自動化、跟蹤、庫存控制、監(jiān)督控制和編組占據(jù)了工廠的前三層，底部的藍色層是工廠車間，其中邊緣節(jié)點如機器人、執(zhí)行器、運動部件、傳感器和閥門在生產(chǎn)線上執(zhí)行制造工作。
頂部三層通常通過點對點（P2P）局域網(wǎng)（LAN）進行通信。以千兆位級速度運行，而工廠車間通過多種多點網(wǎng)絡現(xiàn)場總線協(xié)議進行通信，如HART、RS-485、Mod-bus、DeviceNet、Profi-bus和CAN等，通過屏蔽或非屏蔽的雙絞線以千比特或兆比特的速度通信。這需要在高速局域網(wǎng)和低速工廠網(wǎng)絡之間使用昂貴的網(wǎng)關(guān)，同時導致通信碎片化，更不用說給軟件維護增加額外的復雜性了。
圖1. 工業(yè)4.0全以太網(wǎng)方案
汽車區(qū)域控制與全以太網(wǎng)化
現(xiàn)代內(nèi)燃機（ICE）和純電動汽車（BEV）包含多達150個電子控制單元（ECU），分布在整個車輛中，控制如轉(zhuǎn)向、制動、底盤和動力系統(tǒng)等關(guān)鍵功能，以及信息娛樂和舒適性等不太重要的功能。
自20世紀90年代以來，全球汽車行業(yè)選擇了CAN、CAN FD、Lin和用于IVN的FlexRay “multi?drop”協(xié)議。Multi-Drop表示ECU網(wǎng)絡布線以菊花鏈形式相互連接，點對點拓撲減少了電纜總長度和重量（圖2）。CAN、CAN FD和FlexRay使用非屏蔽單對銅雙絞線。而LIN使用無屏蔽的單根銅線，進一步減輕了電纜重量，直接緩解了“里程焦慮”。這是BEV客戶所關(guān)注的重點。
圖2. 多點與P2P（星型）網(wǎng)絡拓撲
LIN支持最大20 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，CAN支持最大約1 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，CAN FD支持最大約5 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，F(xiàn)lexRay支持最大10 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。
先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）負責一些復雜的服務，如車道偏離警告、防撞、自適應巡航控制、盲點檢測和泊車輔助。這些復雜的服務處理計算機，在多個中央融合模塊內(nèi)聚合，中央融合模塊由高帶寬汽車以太網(wǎng)P2P SPE骨干網(wǎng)連接，以千兆位級速率傳輸，以增強駕駛安全（圖3）。
為了更好地執(zhí)行這些復雜的ADAS服務，將IVN遷移到區(qū)域化電氣/電子面向服務架構(gòu)，其中ECU和融合模塊被劃分為前-右區(qū)域、前-左區(qū)域、后-右區(qū)域、后-左區(qū)域和中央?yún)^(qū)域（圖3）。
與圖1左側(cè)工廠的底部藍色層一樣，汽車IVN中的所有邊緣ECU都使用CAN、CAN-FD、LIN或FlexRay，需要汽車以太網(wǎng)主干網(wǎng)關(guān)連接。與工業(yè)4.0一樣，全以太網(wǎng)化是實現(xiàn)這些由ADAS驅(qū)動的復雜服務的合理方案。雖然與簡單功能相關(guān)的ECU可能會繼續(xù)使用傳統(tǒng)的LIN、CAN和FlexRay協(xié)議，但與復雜的服務相關(guān)的大多數(shù)ECU將采用10BASE-T1S，如果不是為了提高效率、降低成本和減輕重量（無網(wǎng)關(guān)），也是為了以太網(wǎng)“免費”提供的（現(xiàn)有的）增強安全功能。網(wǎng)絡安全對汽車市場至關(guān)重要，本白皮書稍后將在安全和MACsec的框架內(nèi)進行討論。
圖3. 區(qū)域電氣/電子面向服務的體系結(jié)構(gòu)
IEEE802.3cg規(guī)范和10BASE?T1S
2019年，IEEE批準了針對工業(yè)、汽車和智能建筑10Mb/s網(wǎng)絡的802.3cg規(guī)范。定義了兩個新的物理層:
1. 10BASE-T1L（第146條）
2. 10BASE-T1S（第147條）
10BASE-T1L（或長距離）是一種物理層規(guī)范，適用于10MB/以太網(wǎng)局域網(wǎng)，通過單對平衡導線，在點對點（P2P）拓撲結(jié)構(gòu)中以全雙工方式傳輸，傳輸距離至少為1000米。
10BASE-T1S（或稱Short Reach）是一種物理層規(guī)范，適用于通過單平衡導線對（通常為26 AWG電纜）的10 MB/s以太網(wǎng)局域網(wǎng)，至少為:
a) 點對點（P2P）拓撲，最少15米的全雙工，或
b) 最短25米，半雙工，跨多分支拓撲，支持最少8個節(jié)點。節(jié)點可與混合數(shù)據(jù)段連接在一條總線上，或連接在最大長度不超過10 cm的短截線末端（圖4）（注1）。
1. 盡管這些數(shù)字對于理解大致范圍是有用的，但應注意，它們在802.3cg中僅僅是指導性的。根據(jù)電纜、連接器、PHY和外部元件的選擇，可能會超出這些限制。文本的規(guī)范部分定義了IL/RL以及MDI阻抗的范圍。
圖4.10BASE?T1S多點混合拓撲
全雙工表示節(jié)點可以同時發(fā)送和接收，半雙工表示節(jié)點可以發(fā)送或接收，但不能同時進行。
描述10BASE-T1S的簡便方法是將其與下圖4右側(cè)所示的傳統(tǒng)以太網(wǎng)進行比較。其中每個節(jié)點通過點對點（P2P）連接到智能交換機，最長100米。每個節(jié)點包含一個PHY和一個MAC。每個MAC都包含一個全球唯一的48位地址。以太網(wǎng)幀的范圍為64到1518字節(jié)，包括源MAC地址和目的MAC地址。智能交換機會記住每個端口的MAC地址，在不發(fā)生沖突下，將以太網(wǎng)幀路由到局域網(wǎng)中的任何節(jié)點。大大提高了局域網(wǎng)的整體吞吐量。
圖5. 標準以太網(wǎng)下避免沖突
10BASE-T1S 局域網(wǎng)（圖4）具有與傳統(tǒng)局域網(wǎng)類似的優(yōu)點，任何節(jié)點可以發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀（不同時）。圖5的右側(cè)所示，需要16個PHY才能完成傳統(tǒng)的以太網(wǎng)8節(jié)點局域網(wǎng)。而圖4的10BASE-T1S 8節(jié)點局域網(wǎng)只需要8個PHY。10BASE-T1S不僅將PHY數(shù)量減少了一半，還減少了局域網(wǎng)中使用的電纜長度和重量。當然，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率遠遠超過10Mb/s，可以達到10Gb/s，甚至更高。但對于10Mb/s帶寬就足夠的應用來說（即工業(yè)4.0的底層和汽車IVN中的大多數(shù)邊緣ECU），10BASE-T1S非常適合。
10BASE?T1S 局域網(wǎng)（圖4）如何在沒有智能交換機的情況下避免數(shù)據(jù)包沖突？答案是PLCA(物理層沖突避免機制)（參見IEEE 802.3cg第148條）。
物理層沖突避免機制
圖4所示的PLCA是10BASE-T1S在多點拓撲中運行的基礎。每個節(jié)點都分配與MAC地址無關(guān)的唯一的節(jié)點ID。ID#0稱為PLCA協(xié)調(diào)器。其他節(jié)點是“跟隨者”。只有協(xié)調(diào)器知道節(jié)點的總數(shù)，節(jié)點也包括它自己。
協(xié)調(diào)器發(fā)出觸發(fā)PLCA周期的信標，該信標是20位長的唯一物理層信號。在接收到信標時，所有節(jié)點重置它們的內(nèi)部“傳輸時機定時器”，根據(jù)IEEE802.3cg規(guī)范，該定時器默認為32位。由于1位時間在10 MB/s為100 ns，因此等于3.2μs。基于它們的ID，每個節(jié)點以循環(huán)方式輪流（或有機會）“提交”以在總線上傳輸，從節(jié)點0開始。
如果一個節(jié)點在輪到它的時候沒有可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，它就會保持沉默。其他節(jié)點的“傳輸時機定時器”在識別到靜默后會立即超時（默認為3.2μs），觸發(fā)下一個ID '#'“提交”進行傳輸。如果節(jié)點在其輪次期間具有準備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，則該節(jié)點發(fā)出COMMIT，即擴展幀前導碼的另一個物理層信號，當提交的節(jié)點將單個以太網(wǎng)幀或以太網(wǎng)幀的突發(fā)幀（注2）傳輸?shù)娇偩€時，所有其他節(jié)點等待。
2. 突發(fā)模式是可選的PLCA配置。默認情況下，每個節(jié)點每個定時器超時允許一個幀。
下圖6說明了PLCA循環(huán)的兩個例子。頂部是最小的PLCA周期，其中總線上的所有節(jié)點都沒有掛起的數(shù)據(jù)放到總線上，因此它們在各自的輪次期間是靜默的。相反，圖6的底部PLCA周期給出了長的PLCA周期，其中每個節(jié)點有要放到總線上的待處理數(shù)據(jù)。因此，每個節(jié)點都會發(fā)出COMMIT信號，然后繼續(xù)將以太網(wǎng)幀發(fā)送到總線上。
PLCA周期具有彈性，這種彈性100%基于進入總線的待定數(shù)據(jù)。當輪到任意節(jié)點時，如果該節(jié)點沒有總線的掛起數(shù)據(jù)，最不希望的就是所有其他節(jié)點等待很長時間。例如，發(fā)生在諸如FlexRay的TDMA（時分多址）系統(tǒng)中。
圖6. PLCA物理層沖突避免
IEEE802.3cg規(guī)范要求32位“傳輸時機定時器”轉(zhuǎn)換為3.2μs靜默。如果10BASE-T1S多點類型上的所有節(jié)點一致，則可以使用更短或更長的“傳輸時機定時器”位長度。
表1總結(jié)了常見的以太網(wǎng)標準，其中SPE（單對以太網(wǎng)）在汽車中普遍使用，減少了BEV（純電動汽車）的“里程焦慮”（較低的重量）。工業(yè)4.0使用2/4對MPE（多對以太網(wǎng)），可以在千兆級速率下具有更遠的傳輸距離。
功耗
將10BASE-T1S與其他技術(shù)進行比較時，需要考慮的另一個重要因素是功耗。隨著電動汽車、物聯(lián)網(wǎng)和綠色經(jīng)濟的出現(xiàn)，在為可能擁有幾十到數(shù)百個端口的系統(tǒng)選擇物理層時，這一特性變得極其重要。
點對點以太網(wǎng)PHY是時鐘環(huán)路系統(tǒng)，需要“主”和“從”設備之間的連續(xù)空閑信號，使CDR、均衡器、回聲消除器和其他自適應濾波器能夠工作。相反，10BASE-T1S PHY在每個接收到的數(shù)據(jù)包前導碼處執(zhí)行其濾波器的快速訓練，并在不發(fā)送時關(guān)閉發(fā)射機。由于發(fā)射機通常是PHY中功率最大，因此與點對點PHY相比，這會顯著降低功耗。考慮到10BASE-T1S不需要交換機，并且一次只有一個PHY在共享介質(zhì)上傳輸，這種節(jié)省在系統(tǒng)級別上顯得更為顯著。
與通常需要5 V電源的CAN相比，10BASE-T1S僅需要1 VPP 發(fā)送電壓。因此，它可以在3.3 V電源下工作，并且有望在將來降至1.2 V，從而在功耗方面再次獲得巨大優(yōu)勢。
截至目前，下表總結(jié)了各種PHY的典型功耗，沒有考慮點對點以太網(wǎng)交換機所需的額外功率以及CAN網(wǎng)關(guān)連接到以太網(wǎng)骨干網(wǎng)所需的附加功率。
全以太網(wǎng)：CAN殺手/現(xiàn)場總線殺手？
10BASE-T1S的優(yōu)點在于，它直接連接到數(shù)據(jù)鏈路層（L2）的現(xiàn)有OSI參考模型層上，位于以太網(wǎng)MAC層下方，如下圖7所示，該圖來自IEEE802.3cg規(guī)范圖148-1。
MAC子層以上的層保持不變
開發(fā)人員仍然可以在較高層中使用現(xiàn)有軟件或IP
從半導體的角度來看，只有PHY是不同的
圖7強調(diào)了10BASE-T1S相對于其他二線制網(wǎng)絡協(xié)議（如CAN、CAN-FD、現(xiàn)場總線、Mod-Bus、RS-485和工廠及汽車IVN上的其他非以太網(wǎng)）所具有的全以太網(wǎng)優(yōu)勢。您將很難找到一個比以太網(wǎng)更普遍、更值得信賴的連接解決方案，該解決方案在近50年的標準化、互操作性和全球市場應用中得到了驗證。
圖7. 摘自IEEE802.3cg規(guī)范圖148?1
數(shù)據(jù)線供電（PoDL）
IEEE802.3cg規(guī)范完全支持10BASE-T1L（第104條）、T1S P2P的PoDL，但不支持10BASE-T1S多點連接。P2P拓撲對于實現(xiàn)PoDL是相對直接的，因為只有一個節(jié)點傳送功率并且只有一個節(jié)點消耗功率，非常類似于P2P的 PoE（以太網(wǎng)供電）。對于PoDL，10BASE-T1S多點連接有點復雜，因為最少有8個節(jié)點，其中一個提供電源，最少有7個節(jié)點消耗功率。
然而，在某些情況下，特定客戶將所謂的“工程PoDL ”成功安裝到10BASE-T1S多點應用中。本白皮書發(fā)布時，IEEE802.3da規(guī)范仍在制定中，該規(guī)范將為10BASE-T1S多點應用指定非工程PoDL。下面討論了10BASE-T1S多點連接的“工程PoDL”示例。
文章來源：安森美
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