簡(jiǎn)介

本文介紹如何利用10BASE-T1L MAC-PHY連接越來(lái)越多的低功耗現場(chǎng)設備和邊緣設備。此外，本文還將詳細說(shuō)明何時(shí)使用MAC-PHY與10BASE-T1L PHY以及這些系統如何滿(mǎn)足未來(lái)的以太網(wǎng)互聯(lián)制造和樓宇安裝要求。 

背景信息

隨著(zhù)越來(lái)越多的設備需要接入以太網(wǎng)，流程、工廠(chǎng)和樓宇自動(dòng)化應用中的單對以太網(wǎng)10BASE-T1L用例（包括以太網(wǎng)APL）不斷擴展。隨著(zhù)互聯(lián)設備增加，更高級別的管理系統可以使用更豐富的數據集，從而使生產(chǎn)效率得以顯著(zhù)提高，同時(shí)降低了運營(yíng)成本和能耗。以太網(wǎng)至現場(chǎng)或邊緣的愿景是將所有傳感器和執行器連接到一個(gè)融合IT/OT網(wǎng)絡(luò )。實(shí)現這一愿景存在系統工程方面的挑戰，因為其中一些傳感器受功率和空間的限制。適用于傳感器和執行器應用、具備強大內部存儲功能的低功耗、超低功耗微控制器市場(chǎng)需求日益增長(cháng)。但大多數這樣的處理器都有同樣的問(wèn)題，那就是沒(méi)有集成的以太網(wǎng)MAC，不支持MII、RMII或RGMII媒體獨立（以太網(wǎng)）接口。傳統的PHY無(wú)法與這些處理器相連。 

為什么要使用10BASE-T1L MAC-PHY？

為了與更多低功耗設備實(shí)現遠程以太網(wǎng)連接，需要用到10BASE-T1L MAC-PHY。借助10BASE-T1L MAC-PHY，可以通過(guò)SPI將以太網(wǎng)和處理器連接在一起，從而減輕處理器的負擔。MAC功能現在直接與10BASE-T1L PHY集成。10BASE-T1L MAC-PHY支持各種超低功耗處理器，為設備架構師提供靈活的選擇。通過(guò)優(yōu)化應用分區，10BASE-T1L MAC-PHY可以利用流程自動(dòng)化中的以太網(wǎng)APL來(lái)實(shí)現更低功耗的現場(chǎng)設備，實(shí)現區域0本質(zhì)安全部署。在智能樓宇應用中，MAC-PHY可將更多較低功耗的設備連接到同一個(gè)以太網(wǎng)。智能樓宇應用包括HVAC系統、消防安全系統、門(mén)禁、IP攝像機、電梯系統和狀態(tài)監控。

10BASE-T1L MAC-PHY高級包過(guò)濾

集成了MAC功能的10BASE-T1L PHY可以?xún)?yōu)化網(wǎng)絡(luò )上的以太網(wǎng)流量。具備高級包過(guò)濾功能的10BASE-T1L MAC-PHY可以大幅減少處理廣播和多播通信的開(kāi)銷(xiāo)，把處理器從這個(gè)任務(wù)中解放出來(lái)。按目標MAC地址進(jìn)行過(guò)濾是關(guān)鍵。MAC-PHY可以對多達16個(gè)單播或多播MAC地址進(jìn)行過(guò)濾，而不僅僅是單個(gè)MAC地址。此外，地址掩碼可支持兩個(gè)MAC地址。這提供了很大的自由度，過(guò)濾可用于設備地址和共同支持的多播地址，例如鏈路層發(fā)現協(xié)議(LLDP)。通過(guò)為優(yōu)先級更高的消息提供額外的隊列，可以?xún)?yōu)先處理某些消息，從而改善延遲，增強魯棒性。幀的優(yōu)先級可以通過(guò)MAC過(guò)濾表來(lái)識別。例如，可以將廣播消息送入優(yōu)先級較低的隊列、將單播消息送入優(yōu)先級較高的隊列，從而防止接收器因廣播風(fēng)暴或流量激增而發(fā)生過(guò)載。這些MAC-PHY過(guò)濾特性可以增強設備的網(wǎng)絡(luò )負載魯棒性。MAC還收集幀統計信息，以便于監控網(wǎng)絡(luò )流量和鏈路質(zhì)量（見(jiàn)圖1）。 

圖1.10BASE-T1L MAC-PHY可以通過(guò)高級包過(guò)濾明顯降低設備的功耗和復雜度。 

MAC-PHY中的MAC還支持IEEE 1588；因此，流程自動(dòng)化需要802.1AS時(shí)鐘同步。MAC-PHY支持同步計數器、接收消息的時(shí)間戳和發(fā)送消息的時(shí)間戳捕獲。這大幅降低了軟件設計的復雜度，因為除了MAC-PHY本身之外，不需要額外的硬件就能實(shí)現時(shí)間同步。MAC可生成定時(shí)到同步計數器的輸出波形，因此，可用于同步外部應用級操作。SPI接口支持Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY串行接口。Open Alliance SPI是一種新型高效SPI協(xié)議，專(zhuān)為MAC-PHY而設計。 

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

10BASE-T1L PHY和10BASE-T1L MAC-PHY在不同的用例中各有明顯優(yōu)勢。在功率關(guān)鍵型應用中，10BASE-T1L MAC-PHY在主處理器的選擇上提供了更大的靈活性，可以采用未集成MAC的超低功耗處理器來(lái)實(shí)現更低的系統功耗。在對現有設備進(jìn)行升級以提高以太網(wǎng)連接性時(shí)，10BASE-T1L MAC-PHY提供了通過(guò)SPI端口重新利用現有處理器和提高以太網(wǎng)連接性的方法，無(wú)需遷移到集成MAC的更大處理器。

對于現場(chǎng)或邊緣設備需要高性能處理器（可能已集成MAC）的高性能應用來(lái)說(shuō)，10BASE-T1L PHY結合MII、RMII和RGMII接口支持快速開(kāi)發(fā)10BASE-T1L PHY。通過(guò)重新利用現有MAC接口驅動(dòng)程序來(lái)添加以太網(wǎng)連接性便可實(shí)現（見(jiàn)圖2）。

圖2.實(shí)現10BASE-T1L連接的MAC-PHY與PHY優(yōu)勢對比 

提高了未來(lái)以太網(wǎng)互聯(lián)流程安裝的靈活性

滿(mǎn)足未來(lái)的以太網(wǎng)互聯(lián)制造安裝要求。超低功耗設備和高性能設備可以同時(shí)部署在同一個(gè)以太網(wǎng)上，且符合危險區域用例要求的嚴格最大功率限制。10BASE-T1L功率開(kāi)關(guān)和10BASE-T1L現場(chǎng)開(kāi)關(guān)需要將魯棒低功耗10BASE-T1L PHY與工業(yè)以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)結合，以部署干線(xiàn)和和支線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲，進(jìn)而在單條雙絞線(xiàn)上同時(shí)提供功率和數據（包括危險區域用例）。

現場(chǎng)設備連接既需要10BASE-T1L PHY，又需要10BASE-T1L MAC-PHY，以便實(shí)現以太網(wǎng)與各種現場(chǎng)設備的連接。包括流量計在內的較高功率現場(chǎng)設備采用集成MAC和10BASE-T1L PHY的高性能處理器。較低功耗現場(chǎng)設備，包括內置未集成MAC的超低功耗處理器的溫度傳感器，采用10BASE-T1L MAC-PHY，通過(guò)SPI接口與處理器相連，從而實(shí)現以太網(wǎng)連接。 

10BASE-T1L PHY和10BASE-T1L MAC-PHY的關(guān)鍵特性對比

ADIN1110（ADI公司的10BASET1L PHY）可通過(guò)SPI接口與主機處理器連接，從而實(shí)現功耗更低的以太網(wǎng)連接，其功耗僅為42 mW。ADIN1110支持Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY串行接口，以25 MHz時(shí)鐘速度實(shí)現全雙工SPI通信。ADIN1100（ADI公司的10BASE-T1L PHY）可通過(guò)MII、RMII或RGMII MAC接口與主機處理器連接，從而實(shí)現低功耗的以太網(wǎng)連接，其功耗僅為39 mW。ADIN1100 10BASE-T1L PHY與ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY的對比如圖1所示。這兩款產(chǎn)品以全雙工、直流平衡、點(diǎn)對點(diǎn)通信方案的10BASE-T1L核心功能為基礎，在7.5 MBd符號速率和4B3T編碼下采用PAM 3調制。10BASE-T1L支持兩種幅度模式：長(cháng)達1 km電纜的2.4 V峰峰值和更短距離下的1.0 V峰峰值。1.0 V峰峰值幅度模式是指，這項新的物理層技術(shù)也可在防爆系統環(huán)境中使用，并符合嚴格的最大能源限制。 

表1.ADIN1100 PHY與ADIN1110 MAC-PHY對比

圖3.用于流程自動(dòng)化的采用10BASE-T1L MAC-PHY和10BASE-T1L PHY的干線(xiàn)和支線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲 

小結

10 Mb以太網(wǎng)物理層(10BASE-T1L)在長(cháng)達1 km的單條雙絞線(xiàn)上融合功率輸出(Engineered Power/PoDL/SPoE)，形成能夠產(chǎn)生更有價(jià)值信息的新型以太網(wǎng)連接設備，而這些信息通過(guò)融合IT/OT以太網(wǎng)更容易獲取。在流程自動(dòng)化和工廠(chǎng)自動(dòng)化的應用中，這些新的信息有助于提高生產(chǎn)效率、降低能耗。在樓宇自動(dòng)化應用中，這些新的信息有助于提高能效、安全性和舒適性。因此，10BASE-T1L MAC-PHY將加速實(shí)現更低功耗的設備。

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財年收入超過(guò)120億美元，全球員工約2.6萬(wàn)人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Maurice O’Brien是ADI公司工業(yè)自動(dòng)化部的戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。他負責交付以工業(yè)自動(dòng)化為重點(diǎn)的系統級解決方案。在此之前，Maurice在ADI公司的工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域工作了3年，在電源管理應用和營(yíng)銷(xiāo)領(lǐng)域工作了15年。他擁有愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。 

Volker E. Goller是ADI公司的一名系統應用工程師。他擁有30多年的豐富經(jīng)驗，廣泛涉獵復雜運動(dòng)控制、嵌入式傳感器和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等工業(yè)應用。作為一名商用軟件開(kāi)發(fā)人員，Volker為無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)應用開(kāi)發(fā)了各種通信協(xié)議和堆棧，同時(shí)積極參與了領(lǐng)先行業(yè)組織的新通信標準制定。