Ethernet-APL，运用以太网高级物理层实现以太网突破

Ethernet-APL，一种新兴的以太网高级物理层，严格来说是基于单对以太网（SPE）的增强物理层。它按照2019年11月7日批准的新10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太网物理层标准，并规定了在危险场所使用的实施和防爆方法，使得在危险的过程自动化设施中部署高速、支持以太网仪器的进展又迈了一大步。
 

 

（图源：Ethernet-APL | FieldComm）

 
Ethernet-APL全双工，可以通过长达1000m的电缆进行通信，速度最高可以达到10 MBit/s，其能实现的理想效果对比HART或现场总线等当前广泛应用的技术可以说不在一个层次上。Ethernet-APL作为以太网的逻辑扩展，提供了过程工厂现场可靠运行所需的属性。作为高级物理层它能够支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高级别的协议。
 
Ethernet-APL为了解决连接中的无缝挑战
 
虽然我们已经对以太网已经了解了不少，但以太网在实际使用中仍任经常遇到不少挑战，功率的挑战、带宽的挑战、布线的挑战、通信距离的挑战乃至于危险工况的挑战。以太网高级物理层给予了一种新的可能，即从现场到云端的无缝融合。这个无缝是相比4mA至20mA、现场总线而言，这二者复杂的网关远称不上无缝连接。
 
而以太网已部署在自动化金字塔的上层，并在现场与四线以太网设备结合，如驱动器、流量、分析仪和电机控制中心。然而，它仍然需要增强，来支持工业领域的应用程序。以太网高级物理层为的就是增加标准以太网的通用性和通信速度。我们不妨把它看作以太网连接的“最后一米”，这最后一米的实现将允许任何设备从网络的所有区域获取数据。
 
在自动化应用中，现场设备和控制系统之间的距离一直是将现有工业以太网物理层技术限制在原地进展缓慢的重大挑战，Ethernet-APL 应对该挑战将通信距离拉长到1公里，并以极低的功耗和极高的可靠性连接到现场应用。
 
Ethernet-APL支持两种幅度模式，一种是1000m线缆的2.4V峰值，一种是缩短距离的1.0V峰值。后一种模式的峰值幅度意味着这种以太网高级物理层满足严格的最大能量限制，能够在防爆系统中使用。至于数据和电力的同时传输在此前单对以太网中已经讲过了，二者都能满足长距离传输。
 

 

（自动化领域连接技术属性对比，Ethernet-APL | FieldComm）

 
细数以太网高级物理层优势
 
首先对4mA至20mA（带HART）、现场总线以及10BASE-T1L通信做一个简单的比较，从数据带宽上来看，4mA至20mA的贷款在1.2kbps，现场总线的带宽在31.25kbps，10BASE-T1L为10Mbps，带宽上新标准占据的优势太明显；从功率来看，小于40mW的4mA至20mA以及功率极有限的现场总线也很难和IS下500mW非IS下60W的10BASE-T1L抗衡。
 
从另一方面来说，通过在高级物理层上的融合，昂贵、复杂且耗电的网关将被取代，这种实现协议标准化的契机是上下游都很看重的。原本分散的基础设施，分散的信息孤岛，分散的数据访问在此契机下被全部打通。
 
上面我们说到了供电功率，以太网高级物理层根据使用的电缆，目前最高能够提供60W的功率。这大大提升了以往的功率限制，意味着更多设备、更多功能能够被启用。尤其是随着工业网络边缘的应用来说，可用功率的限制一直是掣肘多应用发展的拦路虎。高级物理层的入场将大大提升测量的性能与数据边缘处理的能力。
 
要与支持以太网高级物理层的设备进行通信，需要具有集成介质访问控制的主机处理器或具有10BASE-T1L端口的以太网交换机，半导体制造商能够将该技术无缝地集成到现有的设备或仪器中。
 

 

（Ethernet-APL现场级设备数据连接与10BASE-T1L PHY，ADI）

 
这种物理层设备，可通过串行外设接口SPI与各种主机控制器直接连接，这种SPI支持使用低功耗处理器而无需集成 MAC，整体功耗上直接从系统级上做了优化。为了保证整个物理层设备芯片系统的稳定性，半导体厂商会内部集成电压电源监控和上电复位电路。
 
基于以太网高级物理层系统的固有诊断可以很轻易地确定网络的鲁棒性、检测信号强度和识别状态并检测，在各类工厂的终端节点传感器上已经有不少亮眼的应用。
 
小结
 
Ethernet-APL直接影响了跨行业的IT/OT网络融合，借助基于以太网的物理层，下游应用可以在集成了Ethernet-APL的设备上自由实施多种协议，其从现场级到云端的普适性，将会在工业领域带来了让人意想不到的革新。