基于以太網(wǎng)和Internet協(xié)議（IP）的網(wǎng)絡(luò)無處不在。您可以在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及汽車，IoT和各種自動(dòng)化應(yīng)用程序中找到它們，它已經(jīng)存在了近50年。Microchip Technology高級經(jīng)理Henry Muyshondt解釋道。

以太網(wǎng)通過幾種不同的物理介質(zhì)提供可擴(kuò)展的帶寬，從每秒幾兆位到每秒幾千兆位，經(jīng)過驗(yàn)證的軟件堆?？捎糜诖_保在介質(zhì)上的可靠傳輸。

安全性是這項(xiàng)技術(shù)必不可少的要素，并且有明確定義的框架將其包含在基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)中。

以太網(wǎng)的面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)通過封包功能和數(shù)據(jù)管理來幫助完成復(fù)雜性工作。許多系統(tǒng)可重復(fù)使用統(tǒng)一通信機(jī)制輕松地相互通信，并允許將服務(wù)輕松移動(dòng)到網(wǎng)絡(luò)中的適當(dāng)位置。

過去，有許多不同的技術(shù)協(xié)議已用于互連不同的設(shè)備。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，有各種現(xiàn)場總線，Ethercat，RS-485，UART等。在汽車領(lǐng)域，使用MOST，CAN，LIN和其他網(wǎng)絡(luò)，要求復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)設(shè)備在域之間進(jìn)行通信。在計(jì)算機(jī)服務(wù)器市場中，我們看到來自汽車界的I2C，GPIO，SPI甚至CAN用于管理各種子系統(tǒng)。

圖1.說明了以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)連貫的優(yōu)勢

這些中的每一個(gè)都使用其自有的硬件接口并實(shí)現(xiàn)不同的軟件堆棧。EMC行為各不相同。全以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)勢，因?yàn)榭梢允褂孟嗤膮f(xié)議，而與物理層無關(guān)。以太網(wǎng)幀無論以10Mbit / s還是10Gbit / s的速率傳輸，看起來都是一樣的。

當(dāng)為特定應(yīng)用擴(kuò)展帶寬時(shí)，不需要復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)。通常，單個(gè)交換機(jī)可以配備以不同速度運(yùn)行的PHY芯片，并且?guī)梢詮囊粋€(gè)域無縫移動(dòng)到另一個(gè)域，而無需修改數(shù)據(jù)。

無處不在的以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)簡化了工業(yè)、計(jì)算機(jī)或汽車領(lǐng)域中許多不同應(yīng)用的設(shè)計(jì)、配置和控制。相同的技術(shù)專長可以用于不同的市場。無論需要傳輸多少數(shù)據(jù)，都可以使用相同的機(jī)制，因?yàn)橐蕴W(wǎng)幀并未針對不同的速度等級進(jìn)行修改。此外，針對以太網(wǎng)通信基礎(chǔ)架構(gòu)，還擁有一個(gè)龐大的硬件和軟件供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)。

以太網(wǎng)世界已經(jīng)設(shè)計(jì)了架構(gòu)，以確保通過以太網(wǎng)鏈路傳輸信息的安全性和私密性，此安全基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已廣為人知。

10BASE-T1S——新的IEEE標(biāo)準(zhǔn)

IEEE開發(fā)了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的新變體，該標(biāo)準(zhǔn)在單對物理層上提供10Mbit / s的帶寬。該規(guī)范稱為IEEE Std 802.3cg-2019。詳細(xì)信息已經(jīng)完成，該規(guī)范應(yīng)于2020年初發(fā)布。該規(guī)范擴(kuò)展了帶寬范圍低端的現(xiàn)代以太網(wǎng)物理層的范圍。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)指定的一種變體稱為10BASE-T1S。S代表短距離，還定義了一種稱為10BASE-T1L的長距離變體，其最大距離為1 km。本文重點(diǎn)介紹10BASE-T1S。

10BASE-T1S使用多點(diǎn)拓?fù)?，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用單根電纜連接。這消除了對交換機(jī)的需求，并減少了電纜的數(shù)量。每條電纜僅使用一對電線，而不是典型的以太網(wǎng)電纜中使用的四對電線，互連甚至可以在印刷電路板上實(shí)現(xiàn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以連接至少八個(gè)節(jié)點(diǎn)，但可以連接更多的節(jié)點(diǎn)。它還指定了25m的總線長度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有10cm的存根。所有節(jié)點(diǎn)共享10Mb/s帶寬。

圖2.顯示了共享總線的概念

該標(biāo)準(zhǔn)還指定了一種稱為物理層沖突避免（PLCA）的仲裁方案，該方案可充分利用可用帶寬，同時(shí)減少延遲并提高服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

Microchip一直是IEEE標(biāo)準(zhǔn)流程的主要貢獻(xiàn)者，不僅包括芯片，還包括應(yīng)用板以及仿真、實(shí)現(xiàn)和分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所需的工具來提供支持。

物理層避免沖突（PLCA）詳細(xì)信息

啟動(dòng)PLCA后，只有擁有傳輸機(jī)會的PHY設(shè)備才被允許發(fā)送數(shù)據(jù)。傳輸機(jī)會以循環(huán)方式分配。每個(gè)PHY可以在其發(fā)送機(jī)會期間進(jìn)行發(fā)送，然后可以發(fā)送信息幀。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)時(shí)，新的周期開始。圖3說明了該過程。

在實(shí)踐中，已經(jīng)觀察到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的往返延遲小于半毫秒，當(dāng)使用用于測量IP網(wǎng)絡(luò)上最大可實(shí)現(xiàn)帶寬的iperf3工具時(shí)，幾乎可獲得10Mbit / s的全速。

應(yīng)用領(lǐng)域

10BASE-T1S技術(shù)在建筑/工業(yè)自動(dòng)化，汽車和計(jì)算機(jī)應(yīng)用中正受到關(guān)注。

在工業(yè)應(yīng)用中，此互連方案已在許多應(yīng)用中部署，以提供系統(tǒng)內(nèi)管理并連接許多設(shè)備，例如風(fēng)扇，溫度傳感器，電壓監(jiān)視器等。即使是簡單的設(shè)備，例如開關(guān)，按鈕，指示燈等，都可以使用以太網(wǎng)方案來解決。

在汽車中，各種傳感器需要較低的帶寬并受益于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它使子系統(tǒng)更易于擴(kuò)展以適應(yīng)不同的車輛的部署。

圖3.當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)時(shí)，新的周期開始

在計(jì)算界，服務(wù)器和交換機(jī)內(nèi)部的系統(tǒng)內(nèi)管理接口以及用于配置和監(jiān)視大型服務(wù)器的應(yīng)用程序都需要10BASE-T1S。與工業(yè)世界類似，可以使用以太網(wǎng)輕松訪問各種設(shè)備，例如風(fēng)扇，溫度傳感器和電壓監(jiān)視器。

盡管數(shù)據(jù)線傳輸功率（PoDL）的傳輸尚未完全標(biāo)準(zhǔn)化，但已有一些工作組在研究制定中，IEEE正在擴(kuò)展802.3cg規(guī)范，包括添加PoDL。10BASE-T1S物理層是交流耦合的，因此可以為遠(yuǎn)程設(shè)備供電。

結(jié)論

10BASE-T1S具有以下主要功能，可將以太網(wǎng)技術(shù)擴(kuò)展到新的應(yīng)用程序：

• 多點(diǎn)物理層
• 沒有沖突
• 高效的帶寬利用
• 確定性和低延遲
• 安全機(jī)制

無處不在的以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)簡化了工業(yè)、計(jì)算機(jī)或汽車領(lǐng)域中許多不同應(yīng)用的設(shè)計(jì)、配置和控制。

10BASE-T1S組件正在市場上發(fā)售，并且已經(jīng)在新系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)施。

本文作者M(jìn)icrochip Joe Bush
編輯：hfy