10BASE-T1S在工业和汽车中的应用方案

10BASE-T1S是实现工业4.0、汽车 IVN和智能建筑中边缘设备全以太网化的缺失环节，可与促进人工智能和机器学习的100/1000BASE-T1以太网主干网对接。这是因为10BASE-T1S可直接连接到以太网MAC层下数据链路层 (L2) 的现有OSI参考模型层，无需使用低效且昂贵的协议网关。10BASE-T1S多点传送SPE也是10BASE-T1L长距离（1千米）点对点传输的最佳补充。《边缘设备全以太网方案：10BASE-T1S》白皮书将系统介绍探讨10BASE-T1S如何在工业和汽车中运作，本文为第一部分，将介绍工业4.0概述、汽车区域控制与全以太网化、相关标准等。

工业4.0:诱人的方案

工业4.0可以用图1所示的自上而下的层级金字塔来说明，人工智能（AI）、机器学习（ML）、计划、执行、自动化、跟踪、库存控制、监督控制和编组占据了工厂的前三层，底部的蓝色层是工厂车间，其中边缘节点如机器人、执行器、运动部件、传感器和阀门在生产线上执行制造工作。

顶部三层通常通过点对点（P2P）局域网（LAN）进行通信。以千兆位级速度运行，而工厂车间通过多种多点网络现场总线协议进行通信，如HART、RS-485、Mod-bus、DeviceNet、Profi-bus和CAN等，通过屏蔽或非屏蔽的双绞线以千比特或兆比特的速度通信。这需要在高速局域网和低速工厂网络之间使用昂贵的网关，同时导致通信碎片化，更不用说给软件维护增加额外的复杂性了。

图1. 工业4.0全以太网方案

汽车区域控制与全以太网化

现代内燃机（ICE）和纯电动汽车（BEV）包含多达150个电子控制单元（ECU），分布在整个车辆中，控制如转向、制动、底盘和动力系统等关键功能，以及信息娱乐和舒适性等不太重要的功能。

自20世纪90年代以来，全球汽车行业选择了CAN、CAN FD、Lin和用于IVN的FlexRay “multi−drop”协议。Multi-Drop表示ECU网络布线以菊花链形式相互连接，点对点拓扑减少了电缆总长度和重量（图2）。CAN、CAN FD和FlexRay使用非屏蔽单对铜双绞线。而LIN使用无屏蔽的单根铜线，进一步减轻了电缆重量，直接缓解了“里程焦虑”。这是BEV客户所关注的重点。

图2. 多点与P2P（星型）网络拓扑

LIN支持最大20 kb/s的数据传输速率，CAN支持最大约1 MB/s的数据传输速率，CAN FD支持最大约5 MB/s的数据传输速率，FlexRay支持最大10 MB/s的数据传输速率。

先进驾驶辅助系统（ADAS）负责一些复杂的服务，如车道偏离警告、防撞、自适应巡航控制、盲点检测和泊车辅助。这些复杂的服务处理计算机，在多个中央融合模块内聚合，中央融合模块由高带宽汽车以太网P2P SPE骨干网连接，以千兆位级速率传输，以增强驾驶安全（图3）。

为了更好地执行这些复杂的ADAS服务，将IVN迁移到区域化电气/电子面向服务架构，其中ECU和融合模块被划分为前-右区域、前-左区域、后-右区域、后-左区域和中央区域（图3）。

与图1左侧工厂的底部蓝色层一样，汽车IVN中的所有边缘ECU都使用CAN、CAN-FD、LIN或FlexRay，需要汽车以太网主干网关连接。与工业4.0一样，全以太网化是实现这些由ADAS驱动的复杂服务的合理方案。虽然与简单功能相关的ECU可能会继续使用传统的LIN、CAN和FlexRay协议，但与复杂的服务相关的大多数ECU将采用10BASE-T1S，如果不是为了提高效率、降低成本和减轻重量（无网关），也是为了以太网“免费”提供的（现有的）增强安全功能。网络安全对汽车市场至关重要，本白皮书稍后将在安全和MACsec的框架内进行讨论。

图3. 区域电气/电子面向服务的体系结构

IEEE802.3cg规范和10BASE−T1S

2019年，IEEE批准了针对工业、汽车和智能建筑10Mb/s网络的802.3cg规范。定义了两个新的物理层:

1.  10BASE-T1L（第146条）

2.  10BASE-T1S（第147条）

10BASE-T1L（或长距离）是一种物理层规范，适用于10MB/以太网局域网，通过单对平衡导线，在点对点（P2P）拓扑结构中以全双工方式传输，传输距离至少为1000米。

10BASE-T1S（或称Short Reach）是一种物理层规范，适用于通过单平衡导线对（通常为26 AWG电缆）的10 MB/s以太网局域网，至少为:

a)  点对点（P2P）拓扑，最少15米的全双工，或

b)  最短25米，半双工，跨多分支拓扑，支持最少8个节点。节点可与混合数据段连接在一条总线上，或连接在最大长度不超过10 cm的短截线末端（图4）（注1）。

1.  尽管这些数字对于理解大致范围是有用的，但应注意，它们在802.3cg中仅仅是指导性的。根据电缆、连接器、PHY和外部元件的选择，可能会超出这些限制。文本的规范部分定义了IL/RL以及MDI阻抗的范围。

图4.10BASE−T1S多点混合拓扑

全双工表示节点可以同时发送和接收，半双工表示节点可以发送或接收，但不能同时进行。

描述10BASE-T1S的简便方法是将其与下图4右侧所示的传统以太网进行比较。其中每个节点通过点对点（P2P）连接到智能交换机，最长100米。每个节点包含一个PHY和一个MAC。每个MAC都包含一个全球唯一的48位地址。以太网帧的范围为64到1518字节，包括源MAC地址和目的MAC地址。智能交换机会记住每个端口的MAC地址，在不发生冲突下，将以太网帧路由到局域网中的任何节点。大大提高了局域网的整体吞吐量。

图5. 标准以太网下避免冲突

10BASE-T1S 局域网（图4）具有与传统局域网类似的优点，任何节点可以发送和接收以太网帧（不同时）。图5的右侧所示，需要16个PHY才能完成传统的以太网8节点局域网。而图4的10BASE-T1S 8节点局域网只需要8个PHY。10BASE-T1S不仅将PHY数量减少了一半，还减少了局域网中使用的电缆长度和重量。当然，传统的以太网数据速率远远超过10Mb/s，可以达到10Gb/s，甚至更高。但对于10Mb/s带宽就足够的应用来说（即工业4.0的底层和汽车IVN中的大多数边缘ECU），10BASE-T1S非常适合。

10BASE−T1S 局域网（图4）如何在没有智能交换机的情况下避免数据包冲突？答案是PLCA(物理层冲突避免机制)（参见IEEE 802.3cg第148条）。

物理层冲突避免机制

图4所示的PLCA是10BASE-T1S在多点拓扑中运行的基础。每个节点都分配与MAC地址无关的唯一的节点ID。ID#0称为PLCA协调器。其他节点是“跟随者”。只有协调器知道节点的总数，节点也包括它自己。

协调器发出触发PLCA周期的信标，该信标是20位长的唯一物理层信号。在接收到信标时，所有节点重置它们的内部“传输时机定时器”，根据IEEE802.3cg规范，该定时器默认为32位。由于1位时间在10 MB/s为100 ns，因此等于3.2µs。基于它们的ID，每个节点以循环方式轮流（或有机会）“提交”以在总线上传输，从节点0开始。

如果一个节点在轮到它的时候没有可传输的数据，它就会保持沉默。其他节点的“传输时机定时器”在识别到静默后会立即超时（默认为3.2µs），触发下一个ID '#'“提交”进行传输。如果节点在其轮次期间具有准备传输的数据，则该节点发出COMMIT，即扩展帧前导码的另一个物理层信号，当提交的节点将单个以太网帧或以太网帧的突发帧（注2）传输到总线时，所有其他节点等待。

2.  突发模式是可选的PLCA配置。默认情况下，每个节点每个定时器超时允许一个帧。

下图6说明了PLCA循环的两个例子。顶部是最小的PLCA周期，其中总线上的所有节点都没有挂起的数据放到总线上，因此它们在各自的轮次期间是静默的。相反，图6的底部PLCA周期给出了长的PLCA周期，其中每个节点有要放到总线上的待处理数据。因此，每个节点都会发出COMMIT信号，然后继续将以太网帧发送到总线上。

PLCA周期具有弹性，这种弹性100%基于进入总线的待定数据。当轮到任意节点时，如果该节点没有总线的挂起数据，最不希望的就是所有其他节点等待很长时间。例如，发生在诸如FlexRay的TDMA（时分多址）系统中。

图6. PLCA物理层冲突避免

IEEE802.3cg规范要求32位“传输时机定时器”转换为3.2µs静默。如果10BASE-T1S多点类型上的所有节点一致，则可以使用更短或更长的“传输时机定时器”位长度。

表1总结了常见的以太网标准，其中SPE（单对以太网）在汽车中普遍使用，减少了BEV（纯电动汽车）的“里程焦虑”（较低的重量）。工业4.0使用2/4对MPE（多对以太网），可以在千兆级速率下具有更远的传输距离。

表1. 多对以太网（MPE）和单对以太网（SPE）

3.  原则上，10BASE−T1L可与非屏蔽电缆一起使用，但此选项仅限于低EMC环境。

功耗

将10BASE-T1S与其他技术进行比较时，需要考虑的另一个重要因素是功耗。随着电动汽车、物联网和绿色经济的出现，在为可能拥有几十到数百个端口的系统选择物理层时，这一特性变得极其重要。

点对点以太网PHY是时钟环路系统，需要“主”和“从”设备之间的连续空闲信号，使CDR、均衡器、回声消除器和其他自适应滤波器能够工作。相反，10BASE-T1S PHY在每个接收到的数据包前导码处执行其滤波器的快速训练，并在不发送时关闭发射机。由于发射机通常是PHY中功率最大，因此与点对点PHY相比，这会显著降低功耗。考虑到10BASE-T1S不需要交换机，并且一次只有一个PHY在共享介质上传输，这种节省在系统级别上显得更为显著。

与通常需要5 V电源的CAN相比，10BASE-T1S仅需要1 VPP 发送电压。因此，它可以在3.3 V电源下工作，并且有望在将来降至1.2 V，从而在功耗方面再次获得巨大优势。

截至目前，下表总结了各种PHY的典型功耗，没有考虑点对点以太网交换机所需的额外功率以及CAN网关连接到以太网骨干网所需的附加功率。

表2

全以太网：CAN杀手/现场总线杀手？

10BASE-T1S的优点在于，它直接连接到数据链路层（L2）的现有OSI参考模型层上，位于以太网MAC层下方，如下图7所示，该图来自IEEE802.3cg规范图148-1。

MAC子层以上的层保持不变

开发人员仍然可以在较高层中使用现有软件或IP

从半导体的角度来看，只有PHY是不同的

图7强调了10BASE-T1S相对于其他二线制网络协议（如CAN、CAN-FD、现场总线、Mod-Bus、RS-485和工厂及汽车IVN上的其他非以太网）所具有的全以太网优势。您将很难找到一个比以太网更普遍、更值得信赖的连接解决方案，该解决方案在近50年的标准化、互操作性和全球市场应用中得到了验证。

图7. 摘自IEEE802.3cg规范图148−1

数据线供电（PoDL）

IEEE802.3cg规范完全支持10BASE-T1L（第104条）、T1S P2P的PoDL，但不支持10BASE-T1S多点连接。P2P拓扑对于实现PoDL是相对直接的，因为只有一个节点传送功率并且只有一个节点消耗功率，非常类似于P2P的 PoE（以太网供电）。对于PoDL，10BASE-T1S多点连接有点复杂，因为最少有8个节点，其中一个提供电源，最少有7个节点消耗功率。

然而，在某些情况下，特定客户将所谓的“工程PoDL ”成功安装到10BASE-T1S多点应用中。本白皮书发布时，IEEE802.3da规范仍在制定中，该规范将为10BASE-T1S多点应用指定非工程PoDL。下面讨论了10BASE-T1S多点连接的“工程PoDL”示例。