【導(dǎo)讀】工業(yè)4.0可以用圖1所示的自上而下的層級(jí)金字塔來說明，人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、計(jì)劃、執(zhí)行、自動(dòng)化、跟蹤、庫(kù)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(lán)色層是工廠車間，其中邊緣節(jié)點(diǎn)如機(jī)器人、執(zhí)行器、運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、汽車 IVN和智能建筑中邊緣設(shè)備全以太網(wǎng)化的缺失環(huán)節(jié)，可與促進(jìn)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的100/1000BASE-T1以太網(wǎng)主干網(wǎng)對(duì)接。這是因?yàn)?0BASE-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(diǎn)傳送SPE也是10BASE-T1L長(zhǎng)距離（1千米）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)淖罴蜒a(bǔ)充?！哆吘壴O(shè)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(jí)金字塔來說明，人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、計(jì)劃、執(zhí)行、自動(dòng)化、跟蹤、庫(kù)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(lán)色層是工廠車間，其中邊緣節(jié)點(diǎn)如機(jī)器人、執(zhí)行器、運(yùn)動(dòng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）局域網(wǎng)（LAN）進(jìn)行通信。以千兆位級(jí)速度運(yùn)行，而工廠車間通過多種多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議進(jìn)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(luò)之間使用昂貴的網(wǎng)關(guān)，同時(shí)導(dǎo)致通信碎片化，更不用說給軟件維護(hù)增加額外的復(fù)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(jī)（ICE）和純電動(dòng)汽車（BEV）包含多達(dá)150個(gè)電子控制單元（ECU），分布在整個(gè)車輛中，控制如轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、底盤和動(dòng)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(jì)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(luò)布線以菊花鏈形式相互連接，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)錅p少了電纜總長(zhǎng)度和重量（圖2）。CAN、CAN FD和FlexRay使用非屏蔽單對(duì)銅雙絞線。而LIN使用無屏蔽的單根銅線，進(jìn)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(diǎn)。

圖2. 多點(diǎn)與P2P（星型）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

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(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）負(fù)責(zé)一些復(fù)雜的服務(wù)，如車道偏離警告、防撞、自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)檢測(cè)和泊車輔助。這些復(fù)雜的服務(wù)處理計(jì)算機(jī)，在多個(gè)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(jí)速率傳輸，以增強(qiáng)駕駛安全（圖3）。

為了更好地執(zhí)行這些復(fù)雜的ADAS服務(wù)，將IVN遷移到區(qū)域化電氣/電子面向服務(wù)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(lán)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(shí)現(xiàn)這些由ADAS驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜服務(wù)的合理方案。雖然與簡(jiǎn)單功能相關(guān)的ECU可能會(huì)繼續(xù)使用傳統(tǒng)的LIN、CAN和FlexRay協(xié)議，但與復(fù)雜的服務(wù)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(fèi)”提供的（現(xiàn)有的）增強(qiáng)安全功能。網(wǎng)絡(luò)安全對(duì)汽車市場(chǎng)至關(guān)重要，本白皮書稍后將在安全和MACsec的框架內(nèi)進(jìn)行討論。

圖3. 區(qū)域電氣/電子面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)

IEEE802.3cg規(guī)范和10BASE?T1S

2019年，IEEE批準(zhǔn)了針對(duì)工業(yè)、汽車和智能建筑10Mb/s網(wǎng)絡(luò)的802.3cg規(guī)范。定義了兩個(gè)新的物理層:

圖4.10BASE?T1S多點(diǎn)混合拓?fù)?/p>

全雙工表示節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)發(fā)送和接收，半雙工表示節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送或接收，但不能同時(shí)進(jìn)行。

描述10BASE-T1S的簡(jiǎn)便方法是將其與下圖4右側(cè)所示的傳統(tǒng)以太網(wǎng)進(jìn)行比較。其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）連接到智能交換機(jī)，最長(zhǎng)100米。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)PHY和一個(gè)MAC。每個(gè)MAC都包含一個(gè)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(jī)會(huì)記住每個(gè)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(diǎn)。大大提高了局域網(wǎng)的整體吞吐量。

圖5. 標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，任何節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀（不同時(shí)）。圖5的右側(cè)所示，需要16個(gè)PHY才能完成傳統(tǒng)的以太網(wǎng)8節(jié)點(diǎn)局域網(wǎng)。而圖4的10BASE-T1S 8節(jié)點(diǎn)局域網(wǎng)只需要8個(gè)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(zhǎng)度和重量。當(dāng)然，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10Mb/s，可以達(dá)到10Gb/s，甚至更高。但對(duì)于10Mb/s帶寬就足夠的應(yīng)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(jī)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(jī)制)（參見IEEE 802.3cg第148條）。

物理層沖突避免機(jī)制

圖4所示的PLCA是10BASE-T1S在多點(diǎn)拓?fù)渲羞\(yùn)行的基礎(chǔ)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配與MAC地址無關(guān)的唯一的節(jié)點(diǎn)ID。ID#0稱為PLCA協(xié)調(diào)器。其他節(jié)點(diǎn)是“跟隨者”。只有協(xié)調(diào)器知道節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，節(jié)點(diǎn)也包括它自己。

協(xié)調(diào)器發(fā)出觸發(fā)PLCA周期的信標(biāo)，該信標(biāo)是20位長(zhǎng)的唯一物理層信號(hào)。在接收到信標(biāo)時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)重置它們的內(nèi)部“傳輸時(shí)機(jī)定時(shí)器”，根據(jù)IEEE802.3cg規(guī)范，該定時(shí)器默認(rèn)為32位。由于1位時(shí)間在10 MB/s為100 ns，因此等于3.2μs。基于它們的ID，每個(gè)節(jié)點(diǎn)以循環(huán)方式輪流（或有機(jī)會(huì)）“提交”以在總線上傳輸，從節(jié)點(diǎn)0開始。

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)在輪到它的時(shí)候沒有可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，它就會(huì)保持沉默。其他節(jié)點(diǎn)的“傳輸時(shí)機(jī)定時(shí)器”在識(shí)別到靜默后會(huì)立即超時(shí)（默認(rèn)為3.2μs），觸發(fā)下一個(gè)ID '#'“提交”進(jìn)行傳輸。如果節(jié)點(diǎn)在其輪次期間具有準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，則該節(jié)點(diǎn)發(fā)出COMMIT，即擴(kuò)展幀前導(dǎo)碼的另一個(gè)物理層信號(hào)，當(dāng)提交的節(jié)點(diǎn)將單個(gè)以太網(wǎng)幀或以太網(wǎng)幀的突發(fā)幀（注2）傳輸?shù)娇偩€時(shí)，所有其他節(jié)點(diǎn)等待。

下圖6說明了PLCA循環(huán)的兩個(gè)例子。頂部是最小的PLCA周期，其中總線上的所有節(jié)點(diǎn)都沒有掛起的數(shù)據(jù)放到總線上，因此它們?cè)诟髯缘妮喆纹陂g是靜默的。相反，圖6的底部PLCA周期給出了長(zhǎng)的PLCA周期，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)有要放到總線上的待處理數(shù)據(jù)。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)發(fā)出COMMIT信號(hào)，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(jìn)入總線的待定數(shù)據(jù)。當(dāng)輪到任意節(jié)點(diǎn)時(shí)，如果該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)等待很長(zhǎng)時(shí)間。例如，發(fā)生在諸如FlexRay的TDMA（時(shí)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(shí)機(jī)定時(shí)器”轉(zhuǎn)換為3.2μs靜默。如果10BASE-T1S多點(diǎn)類型上的所有節(jié)點(diǎn)一致，則可以使用更短或更長(zhǎng)的“傳輸時(shí)機(jī)定時(shí)器”位長(zhǎng)度。

表1總結(jié)了常見的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中SPE（單對(duì)以太網(wǎng)）在汽車中普遍使用，減少了BEV（純電動(dòng)汽車）的“里程焦慮”（較低的重量）。工業(yè)4.0使用2/4對(duì)MPE（多對(duì)以太網(wǎng)），可以在千兆級(jí)速率下具有更遠(yuǎn)的傳輸距離。

功耗

將10BASE-T1S與其他技術(shù)進(jìn)行比較時(shí)，需要考慮的另一個(gè)重要因素是功耗。隨著電動(dòng)汽車、物聯(lián)網(wǎng)和綠色經(jīng)濟(jì)的出現(xiàn)，在為可能擁有幾十到數(shù)百個(gè)端口的系統(tǒng)選擇物理層時(shí)，這一特性變得極其重要。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以太網(wǎng)PHY是時(shí)鐘環(huán)路系統(tǒng)，需要“主”和“從”設(shè)備之間的連續(xù)空閑信號(hào)，使CDR、均衡器、回聲消除器和其他自適應(yīng)濾波器能夠工作。相反，10BASE-T1S PHY在每個(gè)接收到的數(shù)據(jù)包前導(dǎo)碼處執(zhí)行其濾波器的快速訓(xùn)練，并在不發(fā)送時(shí)關(guān)閉發(fā)射機(jī)。由于發(fā)射機(jī)通常是PHY中功率最大，因此與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)PHY相比，這會(huì)顯著降低功耗。考慮到10BASE-T1S不需要交換機(jī)，并且一次只有一個(gè)PHY在共享介質(zhì)上傳輸，這種節(jié)省在系統(tǒng)級(jí)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(shì)。

截至目前，下表總結(jié)了各種PHY的典型功耗，沒有考慮點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以太網(wǎng)交換機(jī)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(chǎng)總線殺手？

10BASE-T1S的優(yōu)點(diǎn)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。

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(diǎn)連接。P2P拓?fù)鋵?duì)于實(shí)現(xiàn)PoDL是相對(duì)直接的，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)節(jié)點(diǎn)傳送功率并且只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗功率，非常類似于P2P的 PoE（以太網(wǎng)供電）。對(duì)于PoDL，10BASE-T1S多點(diǎn)連接有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)樽钌儆?個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)提供電源，最少有7個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)用中。本白皮書發(fā)布時(shí)，IEEE802.3da規(guī)范仍在制定中，該規(guī)范將為10BASE-T1S多點(diǎn)應(yīng)用指定非工程PoDL。下面討論了10BASE-T1S多點(diǎn)連接的“工程PoDL”示例。

文章來源：安森美

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