单对以太网的进一步拓展——以太网高级物理层

电子发烧友网报道（文/李宁远）以太网已经在很多应用中发挥出了不可替代的作用，不过想必大家都会在以太网在实际使用中经常遇到不少挑战，有可能是功率的挑战、带宽的挑战、也有可能是布线的挑战、通信距离的挑战，还有可能是危险工况的挑战等等。
 
从单对以太网到高级物理层
 
随着工业领域各种传感和控制功能的更新迭代，对连接的要求是越来越高，挑战越来越大。传统的一个以太网连接可能需要多条用于快速100 Mbps以太网的导线，即便如此可能也不能保证各种数据能够进行即时的交换。单对以太网解决了此类挑战，并迅速在工业自动化应用上发挥出它经济高效的优势。单对以太网作为一种能够在短距离内只需一对绞铜线即能以高达1Gb/s速度连接的技术，它能同时进行双向通信，并借助PoDL实现数据与电力的传输。
 

以太网高级物理层和单对以太网定义，Ethernet-APL | FieldComm

 
基于单对以太网的增强物理层，Ethernet-APL（advanced physical layer），是一种新兴的以太网高级物理层。以太网高级物理层根据10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太网物理层标准，直接将单对以太网100m的限制拉长到1000m，通信速度最高可以达到10 MBit/s。可以把以太网高级物理层Ethernet-APL看作单对以太网的进一步拓展，支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高级别的协议，进一步解决以太网在实际使用中遇到的挑战。
 
高速率之外，高级物理层还有哪些优势
 
概括来看，以太网高级物理层增加了标准以太网的通用性和通信速度。通信速度上增强很明显，而通用性不仅仅是说以太网高级物理层支持任何基于以太网的自动化协议，而且还解决工厂场景中恶劣的环境条件所造成的具体需求。
 
以太网高级物理层两种幅度模式，一种是1000m线缆的2.4V峰值，一种是缩短距离的1.0V峰值。1.0峰值模式下，以太网高级物理层满足严格的最大能量限制，符合Zone 0本质安全应用需求，可以在极端恶劣的环境下稳定工作。这一通用性是很难做到的。
 
和其他通信标准对比，带宽上10BASE-T1L的优势已经很明显了，功率上Ethernet-APL也大大解放了4 mA至20 mA的功率限制。Ethernet-APL在Zone 0应用中可以提供高达500 mW的功率（最高60W），其他标准很难抗衡。
 
从整个通信系统的完整性，互通性来看，以太网通过在高级物理层上的融合，可以取代掉昂贵、复杂且耗电的网关，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整合在一起，对于工业通信来说这是很高效益的选择。
 
实现以太网高级物理层的器件
 
要与支持 Ethernet-APL 的设备通信，需要具有集成介质访问控制MAC的主机处理器或具有 10BASE-T1L端口的以太网交换机。这就少不了适用于单对以太网的PHY和MAC-PHY的身影。一般这种PHY都会集成MAC接口，可通过串行外设接口SPI与各种主机控制器直接连接。
 

（10BASE-T1L 以太网PHY，ADI）

 
如上图器件，PHY集成所有相关的模拟电路、输入和输出时钟缓冲、管理接口控制寄存器和子系统寄存器以及MAC接口和控制逻辑，用以支持Ethernet-APL过程自动化带来长距离、稳健的10BASE-T1L以太网连接。
 
换另一个器件的角度来看，以太网连接器也是影响高级物理层最终传输效果的很重要的一类器件。以太网高级物理层组织定义的连接器标准是允许线缆接线到螺旋式或弹簧夹端子，从而通过密封套连接电缆进入的。
 

Amphenol LTW
 

在这类连接器上，目前常见的有螺纹型、推拉自锁型和快速推锁型。以太网高级物理层是数据与电源混合传输的，因此必须要做到金属屏蔽分离，以避免功率信号与数据信号的干扰。
 
小结
 
借助以太网高级物理层，下游应用可以在集成了Ethernet-APL的设备上自由实施多种协议，从现场级到云端充分展现高通信速率以及对各种复杂环境的通用性的优势，借助各类可以实现Ethernet-APL的器件，以太网高级物理层技术会在工业领域会带来很多技术风向上的改变。