作者：Maurice O'Brien and Volker Goller

介紹

本文介紹如何使用 10BASE-T1L MAC-PHY 連接到更多數(shù)量的低功耗現(xiàn)場(chǎng)或邊緣設(shè)備。它還將詳細(xì)介紹何時(shí)使用 MAC-PHY 與 10BASE-T1L PHY 以及這些系統(tǒng)如何滿足未來(lái)以太網(wǎng)連接制造和建筑安裝的要求。

背景

單對(duì)以太網(wǎng) 10BASE-T1L 用例（包括以太網(wǎng) APL）在將更多設(shè)備連接到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的需求的推動(dòng)下，繼續(xù)在過(guò)程、工廠和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用中擴(kuò)展。隨著更多設(shè)備的連接，更豐富的數(shù)據(jù)集可用于更高級(jí)別的管理系統(tǒng)，從而顯著提高生產(chǎn)力，同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本和能耗。以太網(wǎng)到現(xiàn)場(chǎng)或邊緣的愿景是將所有傳感器和執(zhí)行器連接到融合的IT/OT網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)這一愿景，存在系統(tǒng)工程挑戰(zhàn)，因?yàn)槠渲幸恍﹤鞲衅髟诠β屎涂臻g方面受到限制。低功耗和超低功耗微控制器市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，這些微控制器具有重要的內(nèi)部存儲(chǔ)器功能，適用于傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用。但這些處理器中的大多數(shù)都有一個(gè)共同點(diǎn) - 沒(méi)有集成的以太網(wǎng)MAC，它們不支持MII，RMII或RGMII媒體獨(dú)立（以太網(wǎng)）接口。傳統(tǒng)的 PHY 無(wú)法連接到這些處理器。

為什么使用 10BASE-T1L MAC-PHY

為了能夠與越來(lái)越多的低功耗設(shè)備建立長(zhǎng)距離以太網(wǎng)連接，需要 10BASE-T1L MAC-PHY。使用 10BASE-T1L MAC-PHY，通過(guò) SPI 向處理器提供以太網(wǎng)連接，無(wú)需集成 MAC，從而減輕處理器的負(fù)擔(dān)。MAC 功能現(xiàn)在直接與 10BASE-T1L PHY 集成。10BASE-T1L MAC-PHY 支持各種超低功耗處理器，為設(shè)備架構(gòu)師提供了更大的靈活性和選擇。通過(guò)優(yōu)化應(yīng)用分區(qū)，10BASE-T1L MAC-PHY 通過(guò)過(guò)程工業(yè)中稱為以太網(wǎng) APL 的 0 區(qū)本質(zhì)安全部署實(shí)現(xiàn)低功耗現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。在智能建筑應(yīng)用中，MAC-PHY將使更多低功耗設(shè)備連接到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。智能建筑應(yīng)用包括暖通空調(diào)系統(tǒng)、消防安全系統(tǒng)、訪問(wèn)控制、IP 攝像機(jī)、電梯系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)控。

10BASE-T1L MAC-PHY 高級(jí)數(shù)據(jù)包過(guò)濾

MAC 功能與 10BASE-T1L PHY 的集成提供了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)上以太網(wǎng)流量的新功能。具有高級(jí)數(shù)據(jù)包過(guò)濾功能的 10BASE-T1L MAC-PHY 將顯著減少處理廣播和組播流量的開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)將處理器從此任務(wù)中解放出來(lái)。按目標(biāo) MAC 地址過(guò)濾是關(guān)鍵。MAC-PHY 可以支持使用多達(dá) 16 個(gè)單播或組播 MAC 地址進(jìn)行過(guò)濾，而不僅僅是單個(gè) MAC 地址。此外，兩個(gè) MAC 地址支持地址屏蔽。這提供了很大的自由度，過(guò)濾設(shè)備地址以及通常支持的組播地址，如LLDP（鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議）。通過(guò)支持更高優(yōu)先級(jí)的額外隊(duì)列，可以對(duì)某些消息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，從而獲得改進(jìn)的延遲和健壯性。幀的優(yōu)先級(jí)可以通過(guò) MAC 過(guò)濾表來(lái)標(biāo)識(shí)。例如，可以將廣播消息饋送到較低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列中，并將單播饋送到較高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列中，以防止接收器因廣播風(fēng)暴或流量激增而過(guò)載。這些 MAC-PHY 濾波功能可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)健的設(shè)備。MAC 還收集幀統(tǒng)計(jì)信息，以幫助監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量和鏈路質(zhì)量（請(qǐng)參閱圖 1）。

圖1.10BASE-T1L MAC-PHY 通過(guò)高級(jí)數(shù)據(jù)包過(guò)濾功能顯著降低了設(shè)備的功耗和復(fù)雜性。

MAC-PHY 中的 MAC 還支持 IEEE 1588，因此支持 802.1AS 時(shí)間同步，這是過(guò)程自動(dòng)化所需的。MAC-PHY 支持同步計(jì)數(shù)器、接收消息的時(shí)間戳和傳輸消息的時(shí)間戳捕獲。這大大降低了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因?yàn)槌薓AC-PHY本身之外，不需要進(jìn)一步的硬件支持來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。MAC可以生成定時(shí)到同步計(jì)數(shù)器的輸出波形，該波形可用于同步外部應(yīng)用程序級(jí)操作。SPI 接口支持 Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY 串行接口。開(kāi)放聯(lián)盟 SPI 是一種非常有效的新型 SPI 協(xié)議，專(zhuān)為與 MAC-PHY 一起使用而設(shè)計(jì)。

何時(shí)使用 10BASE-T1L MAC-PHY 和 10BASE-T1L PHY

10BASE-T1L PHY 和 10BASE-T1L MAC-PHY 在不同的用例中都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于功耗關(guān)鍵型應(yīng)用，10BASE-T1L MAC-PHY 在主機(jī)處理器的選擇上提供了更大的靈活性，包括沒(méi)有集成 MAC 的超低功耗處理器，從而降低了系統(tǒng)功耗。升級(jí)現(xiàn)有設(shè)備以添加以太網(wǎng)連接時(shí)，10BASE-T1L MAC-PHY 提供了重用現(xiàn)有處理器并通過(guò) SPI 端口添加以太網(wǎng)連接的途徑，無(wú)需遷移到具有集成 MAC 的更大處理器。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)或邊緣設(shè)備需要可能已經(jīng)具有集成 MAC 的高性能處理器的高性能應(yīng)用，具有 MII、RMII 和 RGMII MAC 接口的 10BASE-T1L PHY 允許快速開(kāi)發(fā) 10BASE-T1L PHY。這是通過(guò)重用現(xiàn)有的 MAC 接口驅(qū)動(dòng)程序來(lái)添加以太網(wǎng)連接來(lái)完成的（請(qǐng)參閱圖 2）。

圖2.MAC-PHY 與 PHY 在 10BASE-T1L 連接方面的優(yōu)勢(shì)比較。

提高未來(lái)以太網(wǎng)連接過(guò)程安裝的靈活性

隨著 10BASE-T1L PHY（ADIN1100） 和 10BASE-T1L MAC-PHY （ADIN1110） 的推出，器件架構(gòu)師現(xiàn)在可以提高靈活性，以滿足未來(lái)以太網(wǎng)連接制造安裝的要求。超低功耗設(shè)備和高性能設(shè)備可以部署在同一以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，并符合危險(xiǎn)區(qū)域用例要求的嚴(yán)格最大功率限制。10BASE-T1L 電源開(kāi)關(guān)和 10BASE-T1L 現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)需要堅(jiān)固耐用的低功耗 10BASE-T1L PHY 與工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)配合使用，以部署中繼和雜散網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，通過(guò)單根雙絞線電纜（包括危險(xiǎn)區(qū)域用例）提供電源和數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接需要 10BASE-T1L PHY 和 10BASE-T1L MAC-PHY，以實(shí)現(xiàn)與各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的以太網(wǎng)連接。更高功率的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括流量計(jì)，將使用高性能處理器，集成MAC和10BASE-T1L PHY。低功耗現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括具有未集成MAC的超低功耗處理器的溫度傳感器，將使用10BASE-T1L MAC-PHY通過(guò)SPI接口與處理器進(jìn)行以太網(wǎng)連接（參見(jiàn)圖3）。

圖3.用于過(guò)程自動(dòng)化的中繼和支散網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，采?10BASE-T1L MAC-PHY 和 10BASE-T1L PHY。

10BASE-T1L PHY 和 10BASE-T1L MAC-PHY 主要特性的比較

ADI公司的10BASE-T1L MAC-PHYADIN1110通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)低功耗以太網(wǎng)連接到主機(jī)處理器，功耗僅為42 mW。ADIN1110支持開(kāi)放聯(lián)盟10BASE-T1x MAC-PHY串行接口，用于時(shí)鐘速度為25 MHz的全雙工SPI通信。ADIN1100是ADI公司的10BASE-T1L PHY，可通過(guò)MII、RMII和RGMII MAC接口實(shí)現(xiàn)低功耗以太網(wǎng)連接，以低功耗僅為39 mW的主機(jī)處理器，請(qǐng)參見(jiàn)表1，了解ADIN1100 10BASE-T1L PHY和ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY的比較。這兩款產(chǎn)品均基于 10BASE-T1L 內(nèi)核功能，采用全雙工、直流平衡、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方案，采用 PAM 3 調(diào)制，符號(hào)速率為 7.5 MBd，采用 4B3T 編碼。10BASE-T1L 支持兩種幅度模式：2.4 V 峰峰值（長(zhǎng)達(dá) 1000 m 的電纜）和 1.0 V 峰峰值（縮短距離）。1.0 V峰峰值幅度模式意味著這種新的物理層技術(shù)也可用于防爆（防爆）系統(tǒng)的環(huán)境，并滿足嚴(yán)格的最大能量限制。

總結(jié)

10 Mb以太網(wǎng)物理層（10BASE-T1L）與兩根長(zhǎng)達(dá)1公里的電線上的電力傳輸（工程電源/ PoDL / SPoE）相結(jié)合，將使新型以太網(wǎng)連接設(shè)備能夠產(chǎn)生更高價(jià)值的見(jiàn)解，現(xiàn)在可以通過(guò)轉(zhuǎn)換后的IT/OT以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)更輕松地訪問(wèn)這些見(jiàn)解。這些新見(jiàn)解將提高生產(chǎn)率并降低過(guò)程和工廠自動(dòng)化應(yīng)用中的能耗。在樓宇自動(dòng)化應(yīng)用中，這些新的見(jiàn)解將實(shí)現(xiàn)更高水平的能源效率、安全性和舒適性。因此，10BASE-T1L MAC-PHY將加速低功耗器件的可用性。

審核編輯：郭婷