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如何實現(xiàn)以太網(wǎng)無縫傳輸?以太網(wǎng)物理層設(shè)備的考量與Ethernet-APL

Robot Vision ? 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:Sisyphus ? 2022-08-02 09:02 ? 次閱讀
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以太網(wǎng),一個我們時常提到的概念。雖然我們已經(jīng)在對以太網(wǎng)的了解與應(yīng)用上已經(jīng)取得了很大的進步,但以太網(wǎng)在實際使用中仍然經(jīng)常遇到不少挑戰(zhàn),有可能是功率的挑戰(zhàn)、帶寬的挑戰(zhàn)、也有可能是布線的挑戰(zhàn)、通信距離的挑戰(zhàn),還有可能是危險工況的挑戰(zhàn)等等。

通過以太網(wǎng)物理層設(shè)備能夠解決一些困難,以太網(wǎng)PHY作為一種物理層收發(fā)器器件,根據(jù)OSI網(wǎng)絡(luò)模式收發(fā)以太網(wǎng)幀。在OSI模式中,以太網(wǎng)覆蓋物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的一部分,并由IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)定義。物理層指定電信號類型、信號速度、介質(zhì)和連接器類型以及網(wǎng)絡(luò)拓撲,實施1000 Mbps的1000BASE-T、100 Mbps的100BASE-TX和10 Mbps的10BASE-T以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

PHY的關(guān)鍵因素考量

功耗問題肯定是首當(dāng)其沖的,以太網(wǎng)物理層的功耗對系統(tǒng)的總功耗有著重大影響,采用低功耗物理層設(shè)備能夠為系統(tǒng)中的FPGA/MCU/處理器預(yù)留提供更多的可用功耗。就單個設(shè)備而言,它整體的功耗預(yù)算在選用PHY之前就已經(jīng)確定了,一般不會留給物理層太多的功耗預(yù)算,加之線路和環(huán)形拓撲需要兩個端口和兩個PHY,數(shù)據(jù)輸入和輸出的功耗要按翻倍來算,功耗不低根本不足以滿足整個設(shè)備的連接要求。


(低功耗以太網(wǎng)PHY,Broadcom)

第二處考量則和延遲與同步相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)周期時間是控制器收集和更新所有器件的數(shù)據(jù)存儲器所需的通信時間,低延遲PHY能大大減少網(wǎng)絡(luò)周期時間,從而縮短網(wǎng)絡(luò)刷新時間,單個周期內(nèi)將允許更多器件連接到網(wǎng)絡(luò)。在帶寬滿足數(shù)據(jù)吞吐量的前提下,降低延遲是完成同步最有效的辦法。帶寬已經(jīng)滿足了吞吐量的要求,再一味拔高帶寬對延遲反而會有副作用。當(dāng)然,具體的延遲會根據(jù)協(xié)議不同略有差異。

最后一點是老生常談的穩(wěn)健性,PHY需要在惡劣的工作環(huán)境下,能夠承受外部輻射和傳導(dǎo)噪聲源。穩(wěn)健可靠的PHY需要應(yīng)對浪涌、快速瞬變脈沖、ESD、射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)干擾等等風(fēng)險。

在這三點考量之外,其實數(shù)據(jù)速率的可拓展性對于PHY也很重要,現(xiàn)場級連接采用100 Mbps PHY中運行工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的以太網(wǎng)連接,PLC和運動控制器之間的連接需要高帶寬的千兆(1000BASE-T)TSN以太網(wǎng)連接,采用支持不同協(xié)議數(shù)據(jù)速率的PHY將讓整個系統(tǒng)拓展性大增。

Ethernet-APL標(biāo)準(zhǔn)帶來的數(shù)據(jù)速率可拓展性突破


數(shù)據(jù)速率的可拓展性與Ethernet-APL有著直接關(guān)系。Ethernet-APL,以太網(wǎng)高級物理層,嚴格來說是基于單對以太網(wǎng)(SPE)的增強物理層,按照新的10BASE-T1L(IEEE802.3cg-2019)以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn),將以太網(wǎng)設(shè)備的進展推動了一大步。Ethernet-APL作為以太網(wǎng)的邏輯擴展,能夠支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高級別的協(xié)議。

(以太網(wǎng)APL設(shè)備通信模塊,Softing)

遠距離的單對以太網(wǎng)10BASE-T1L物理層設(shè)備可以將以太網(wǎng)連接延伸至遠程位置的邊緣節(jié)點,該技術(shù)支持傳送新的數(shù)據(jù)流、額外的過程變量和輔助測量數(shù)據(jù)。Ethernet-APL能夠?qū)F(xiàn)場設(shè)備直接連接到更高級別的系統(tǒng),從而首次實現(xiàn)跨所有流程管理的統(tǒng)一通信基礎(chǔ)設(shè)施。要與支持以太網(wǎng)APL的設(shè)備進行通信,需要具有集成介質(zhì)訪問控制的主機處理器或具有10BASE-T1L端口的以太網(wǎng)設(shè)備。

(10BASE-T1L 以太網(wǎng)PHY,ADI

如上圖,該器件集成以太網(wǎng)PHY內(nèi)核以及所有相關(guān)的模擬電路、輸入和輸出時鐘緩沖、管理接口控制寄存器和子系統(tǒng)寄存器以及MAC接口和控制邏輯,用以支持Ethernet-APL過程自動化帶來長距離、穩(wěn)健的10BASE-T1L以太網(wǎng)連接。

Ethernet-APL直接加快了跨行業(yè)的IT/OT網(wǎng)絡(luò)融合,借助以太網(wǎng)物理層設(shè)備,下游應(yīng)用可以在集成了Ethernet-APL的設(shè)備上自由實施多種協(xié)議,大大提高數(shù)據(jù)速率的可拓展性。

小結(jié)

在終端節(jié)點數(shù)量加速增長的背景下,為了實現(xiàn)以太網(wǎng)的無縫傳輸,如何在以太網(wǎng)物理層PHY上解決功耗、延遲以及數(shù)據(jù)可拓展性問題至關(guān)重要。在Ethernet-APL的加持下,這些物理層設(shè)備有望徹底解決以太網(wǎng)在實際使用中遇到的各種挑戰(zhàn)。

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