你将学习:
- 标准如何将以太网带到网络的最边缘。
- 为什么它符合地域性建筑的趋势。
- 它将如何降低布线复杂性和汽车工厂自动化。
当今世界充斥着大量的数据通信协议，其中大多数协议的设计宗旨是提供尽可能高的数据速率。然而，绝大多数设备，如开关和执行器，都很简单，不会产生大量的数据，因此不需要高速通信。全球有数十亿只，而且它们的数量呈指数级增长。
一段时间以来，我们需要的是一种单一、简单、低成本的数据通信解决方案，它可以服务于工业、汽车和其他市场中的所有这些设备。该解决方案于2019年底以IEEE 802.3 g标准的形式出现。正如我们将看到的，它具有巨大的潜力，因为它将低成本的单对以太网电缆带到网络的边缘。
该标准的创始者是IEEE的一个任务小组，他们正在研究如何提供一种低速技术，这种技术可以覆盖很长的距离，并在单对平衡以太网电缆上传输10mb /s的数据速率。此外，人们还希望在更短的距离内拥有多投能力。虽然10 Mb/s听起来并不令人印象深刻，但它已经足够控制开关、继电器、执行器或机器人手臂和许多其他设备，而且当时“工业以太网”还没有一个版本能够以一种统一的方式提供这些功能。
工作组中的汽车制造商要求采用一种更短距离的解决方案，该方案具有相同的基本功能和多滴功能，每个节点都连接到一根电缆。因此，它消除了对交换机的需要，并需要更少的线路、交换机端口和收发器。这个版本将使用以太网的一切，从最低速度到最高速度。
最后，几乎每个人都实现了他们的愿望，这导致了以太网10BASE-T1S的距离至少达到25米，10BASE-T1L的覆盖距离达到1公里。他们加入了100BASE-T1和1000BASE-T1家族，统称为单对以太网(SPE)。传输介质范围从单个双绞线对到印刷电路板(PCB)或服务器背板上的其他线对配置和平行轨迹。所有这些产品都比其他产品更容易安装，更轻，更灵活，而且成本更低(见下表)．
最基本的
除了最大传输距离外，10BASE-T1S和10BASE-T1L之间还有两个主要区别。首先，只有10BASE-T1S提供多点和点对点连接能力。其次，只有10BASE-T1S采用了物理层碰撞避免(PLCA)，这是在需要确定性性能的实时应用(如汽车、工业和建筑自动化)中使用的关键因素(图1)．
PLCA设计用于半双工、多滴网络，如10BASE-T1S。该算法消除了多滴混合段载波侦听多路访问与碰撞检测(CSMA/CD)的问题。
CSMA/CD可以显示由数据冲突引起的随机延迟。PLCA提供了有保证的最大延迟和克服这些限制的其他特性。在PLCA就位后，传输周期从网络节点用来同步的协调节点(节点0)发送的信标开始。
信标发送完毕后，发送机会传给节点1。如果没有数据可以发送，它就向节点2发送发送机会，以此类推，直到每个节点都至少有一个发送机会为止。然后协调节点发起一个新的周期，它发送另一个信标。
为了防止一个节点阻塞总线，jabber函数在一个节点的传输超过分配的时间时中断该节点的传输，从而允许下一个节点进行传输。结果是对数据吞吐量没有影响，总线上也没有数据冲突。
这两种解决方案都有相当大的好处，其中最重要的是以太网在全球信息技术(IT)和运营技术(OT)世界中都是无处不在的，它很容易理解，并得到数百家公司的支持。它的成本相对较低，并且在不断减少，并且从开始到每次迭代都保持其核心结构。这意味着，当以太网是系统中使用的主要通信协议时，不需要进行协议转换，也不需要网关来执行转换。
从最简单的低数据速率切换到高数据速率传感器(如能够产生大量数据并需要千兆位每秒速度的相机)，每一种设备都可以不需要转换就得到支持。它们可以在以太网交换机中聚合，并以以太网的最高数据速率发送到云上进行处理和分析(图2)．
奖励汽车制造商
对于汽车制造商来说，在大多数功能上采用单一协议具有极大的好处，因为他们不仅需要支持CAN总线，还需要支持多种特定于应用程序的标准。每一款车型都会对高级驾驶辅助系统(ADAS)系统进行改进，通常需要新的摄像头、雷达、超声波传感器(未来还会有激光雷达)，以及信息娱乐和导航系统的改变。
其结果是，在今天的车辆中，有40个不同的线束，80到100个电子控制单元(ecu)，300根电线总长2.5英里，重达250磅。各种应用所需的多种电缆类型也带来了电磁兼容性(EMC)的挑战，因为每种电缆都有自己的要求。
满足汽车的需求很快就会雇佣数百万行代码相比,今天1亿行,行业过渡到一个基于以太网的带状电子/电气(E / E)体系结构,聚合物传感器到一个单独的链接从纬向网关骨干(图3)．
它几乎完全基于以太网，而以太网的即插即用功能非常适合未来定义汽车的面向服务的环境。设备可以实时连接和断开，没有停机时间，这比can总线有显著的优势。也就是说，CAN总线已经为汽车行业服务了许多年，并将继续为最适合它的应用程序服务，所以它很可能会保留多年。
一个工业解决方案
虽然汽车工业将从10BASE-T1S中受益最大，但工业部门可以从10BASE-T1S和10BASE-T1L中受益，原因有几个。首先，工业设施使用许多不同的通信技术来互连设备，从I2C到RS-485, UARTs，和CAN，它们连接从控制柜接线到温度传感器，HVAC执行器，电梯，风扇，电压监视器，dc-dc转换器和其他模块，以及计算机背板。这些设备中很多只需要低数据率，而这些标准的设计就是为了满足这一要求。
虽然它还不是一个主要的讨论话题，但它可以通过连接设备在物联网中发挥关键作用，否则这些设备将使用各种短距离无线解决方案之一，如Zigbee、蓝牙或Wi-Fi。正如许多早期采用者所了解到的，为物联网“工作”无线说起来容易做起来难。这些解决方案显然将在工业物联网中发挥巨大的作用，但考虑到以太网的优点，它们不一定是唯一的解决方案。
其次，10BASE-T1S的多掉落功能可以在不影响整体网络性能的情况下连接、移除或替换许多设备，而且过程非常简单。最后，以太网几乎已经出现在所有设备中，因此从云向外移动到边缘可以通过单一标准完成。值得注意的是，随着工业发展到第四代，区域方法也在这个市场中得到应用，以太网是选择的解决方案。SPE还有其他的好处，但仅仅这些就使它非常有吸引力。
第一个收发器
实现10BASE-T1S需要支持它的以太网收发器。其中第一个是微芯片公司的LAN867x系列以太网收发器，它服务于10BASE-T1S。LAN8670/1/2允许创建多点和点对点网络拓扑。支持至少15米的点到点链接段，多滴模式支持至少8个收发器连接到25米的公共混合段。
注意，这些是IEEE规范中的“最小最大值”。当系统实现者验证正确的操作时，更多的节点和更长的距离是可能的。收发器由一个3.3 v直流电源运行，并有一个集成的1.8 v直流稳压器。温度范围为−40℃~ +125℃，可在恶劣环境下使用，符合工业EMC和EMI要求。
LAN8670/1/2支持通过标准MII/RMII接口与以太网MAC进行通信，集成的串行管理接口可提供高达4mhz的快速寄存器访问和配置。对物理介质的访问由CSMA/CD或PLCA管理，通过避免物理层的冲突和高包速率、延迟敏感应用程序的多个数据包传输的突发模式，允许高带宽利用率。
为了给设计师一个简单的方式进入10BASE-T1S，该公司提供了RMII和MII评估板，适合许多微芯片MCU板，或他们可以在设计由用户创建。另一个评估板可以插入USB主机，使其成为10BASE-T1S节点，并提供Linux和Windows驱动程序。此外，该公司的MPLAB Harmony开发框架包括对10BASE-T1S技术与微控制器和微处理器集成的支持。
总结
IEEE 802.3 g SPE标准的发布恰逢工业4.0开始成型之时。工业4.0和汽车行业正在竞相简化它们的大规模连接问题，同时每年都在增加更多的传感器和其他可连接设备。
10BASE-T1S和10BASE-T1L都为以太网扩展到网络边缘铺平了道路，为不需要千兆位速度的低数据速率设备提供了支持，这些设备使用简单的双导体电缆。简而言之，它有可能极大地改变这些设备在工业环境和所有类型的车辆上的连接方式。
