10BASE-T1S 将以太网一直延伸到边缘，使以太网能够用于以前无法使用的工业应用。
更高的数据速率一直是以太网发展的主要亮点，但并非所有网络应用都需要高速。IEEE 802.3cg 标准的制定是为了解决几个额外的重要因素。确定性的实时性能、电缆覆盖范围、安装复杂性和网络维护成本对于工业用例也至关重要。
10BASE-T1S 在 IEEE 802.3cg 标准中定义。它旨在通过将以太网一直延伸到边缘节点设备来进一步实现工业 4.0，使更广泛的工业应用能够使用以太网，降低工业网络安装的复杂性和成本，并取代传统的多点通信。
10BASE-T1S 简介
10BASE-T1S 是 IEEE 802.3 标准中定义的 10 Mb/s 单对以太网 PHY 的短距离、多点变体。10BASE-T1S PHY 使用非屏蔽单对电缆，与多对和/或屏蔽电缆相比，这种电缆更便宜且更易于部署。根据规范，任何 10BASE-T1S 实现都支持至少 25 米的覆盖范围和至少 8 个节点。
电缆通常是网络安装中成本最高的因素。与使用最多 8 根电线（4 对双绞线）的传统以太网电缆相比，单对电缆只有两根电线。10BASE-T1S 可以大幅降低网络安装所需电缆的成本、尺寸和重量。
多点功能使一对电缆能够连接到多个节点，从而进一步减少了电缆的数量。此外，多点连接显著减少了所需的 PHY 和交换机端口的数量。
NCN26010 的性能超过了 IEEE 802.3cg 标准，8 个节点的传输距离可达 50 米，25 米网段的传输距离可达 40 个节点。
10BASE-T1S 技术通过简化网络维护和减少必须支持的标准数量，提供了更多的降低成本的机会。事实上，10BASE-T1S 可减少 70% 的电缆和 80% 的部署成本，从而降低网络安装成本。此外，它不需要大型交换机、网关、协议转换器以及它们所需的额外布线和电源。
图 1：在新的 10BASE-T1S 安装中，非屏蔽单对电缆可以替代机柜中的所有黄线。
T1S 带来的另一个重要进步是确定性，这要归功于 PLCA（物理层碰撞避免）的发明。确定性系统是指系统未来状态的发展不涉及任何随机性的系统。换句话说，对于给定的初始状态，确定性系统将始终返回相同的输出或达到相同的未来状态。在工业以太网中，确定性通信是网络保证某个事件在特定时间内发生（或某个消息被传输）的能力。这有时被称为“有界响应”。如果应用程序的响应时间可以保证在一定的误差范围内，则该应用程序被认为是确定性的。确定性提供了一种可靠性的衡量标准，即通信或输出不仅正确，而且会在指定的时间内发生。对于被视为实时的系统，它必须指定响应事件或传输消息的最长时间。另一方面，非实时系统是以恒定速度运行的系统，没有截止期限。值得注意的是，确定性是实时系统的决定性品质。1
使用 CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）的网络是不确定的。相反它们依靠统计数据来访问共享介质。CSMA/CD 的基本原理是 PHY 检测另一个站是否正在传输（载波侦听），并让 MAC 推迟任何传输，直到线路空闲。但是，如果没有检测到载波，多个 MAC 可能会同时发起传输，从而产生物理冲突。特别是在传输结束时，多个延迟 MAC 可能会同时检测到载波的结束，更准确地说，是在同一时间窗口（称为碰撞窗口）内检测到载波的结束。碰撞窗口由网络传播延迟决定，包括电缆长度和 PHY 实现特性。当发生冲突时，PHY 会将其报告给 MAC，MAC 会中止并重新安排当前传输。在 MAC 再次尝试传输帧之前，它会暂停一段随机时间，称为退避，其上限随着（连续）传输尝试失败的次数呈指数增加。这会逐渐降低但永远不会消除发生后续碰撞的可能性。随机退避会导致访问时间发生巨大变化，甚至可能导致数据包在十次传输尝试失败后仍无法传输（丢弃）。因此，CSMA/CD 的实时性能非常差。众所周知，如果平均负载不超过可用网络带宽的 30%，CSMA/CD 网络可以在非实时环境中可靠运行。CSMA/CD 的另一个副作用是所谓的“捕获”效应，其中一个节点可能会在很长一段时间内反复访问网络。有可能，只要 MAC 有帧需要传输。因此，在考虑实时性能时，访问的公平性也是 CSMA/CD 的一大关注点。最后，PHY 中的碰撞检测机制可能非常复杂，并且在高噪声的情况下可能会产生非常差的性能，这在工业环境中经常出现。因此，CSMA/CD 网络不适合许多需要确定性和可靠实时性能的工业应用。
另一方面，PLCA 方法允许您根据网络的节点数和 MTU（最大帧大小）来计算最坏情况的媒体访问延迟，这是可配置的。10BASE-T1S PHY（例如嵌入在 NCN26010 中的 PHY）通常采用 PLCA，这是汽车、工业和楼宇自动化等需要确定性性能的实时应用的关键要素。PLCA 旨在在半双工、多点网络上提供 无冲突 操作。在 PLCA 到位后，传输周期从协调器节点（节点 0）发送的信标（2.4 µs 物理层信号）开始，网络节点使用该信标进行同步。发送信标后，节点 0 获得传输机会。如果节点 0 没有数据要发送，它会在很短的时间后将机会让给节点 1（默认情况下，传输 32 位所需的时间为 3.2 µs）。否则，如果节点 0 有数据要传输，它就可以发送一个数据包，数据包大小最多可达可配置的网络最大允许帧大小 (MTU)，默认为 1500 字节。该过程持续进行，直到每个节点都获得一次传输机会。然后主节点启动一个新的循环，并发送另一个信标。为了防止节点阻塞总线，如果节点的传输超出了允许的最大帧大小，jabber 功能就会中断该节点的传输，从而允许下一个节点进行传输。这解决了影响多种多点技术的“胡言乱语”问题。结果是，这不会影响数据吞吐量，也不会发生总线冲突。PLCA 架构使 10BASE T1S 能够用于需要确定性实时性能的嘈杂工业应用。2
对于许多具有实时性和确定性要求的工业网络来说，另一个重要要求是在恶劣的 EMC 环境中可靠地工作的能力。虽然许多其他以太网标准并非设计用于支持工业 EMC 环境，但 10BASE-T1S 在设计时就考虑到了此类要求。结果是，与现有技术相比，采用 非屏蔽 单对电缆的 10BASE T1S 表现出出色的 EMC 性能。使用 10BASE-T1S 可以设计出符合 3 类 IEC61000-4-6 EMI 要求（10 Vrms 共模噪声注入）且采用非屏蔽单对电缆的系统。PLCA 在电磁免疫方面也发挥着关键作用：知道总线无冲突后，PHY 的接收器可以采用先进的技术在高噪声环境下恢复信号。
PLCA 的另一个有趣的特性是，虽然它改变了节点访问媒体的方式，但它并没有修改 MAC。10BASE-T1S PHY 实现可以使用传统 MII 端口连接到标准 CSMA/CD MAC。这是可能的，因为防碰撞机制完全在物理层实现（因此称为 PLCA），而 MAC 对载波侦听和碰撞检测信令做出正常反应。换句话说，PHY 通过 CRS 和 COL MII 信号为标准 MAC 提供一种“增强现实”。
10BASE-T1S 以太网控制器
NCN26010 10BASE-T1S 以太网控制器是安装和维护经济高效的工业网络的重要组成部分，可帮助公司实现工业 4.0 的愿景。
- 将以太网延伸至边缘
- 允许设计许多工业应用所需的确定性实时系统
- 适用于非屏蔽单对电缆
- 降低网络安装的复杂性和成本
- 无需大型交换机、网关、协议转换器以及它们所需的额外布线和电源
- 降低软件维护成本，因为您不需要维护多种技术
- 通过减少必须维护的网络标准数量来降低网络维护的复杂性。这可以通过用 10BASE-T1S 以太网取代传统的点对点和多点标准（包括 RS-485、CAN、FlexRay、RS-232 和 HART）来实现
- 实现现有电缆的更大数据吞吐量，无需铺设新电缆，这通常是网络安装中成本最高的因素
- 设计时考虑了工业和汽车的 EMC 要求
- PHY 符合工程数据线供电 (PoDL) 标准
以下是 10BASE-T1S 的几个使用示例：
- 电梯：减少轿厢内以及每层控制单元（显示器和呼叫按钮）的接线
- 工业机柜：降低安装复杂性和成本
- 网络传感器：以太网可以一直延伸到传感器边缘节点设备，单个 25 米 SPE 段上最多可容纳 40 个节点，是 IEEE 802.3cg 标准要求的 5 倍
- 街道照明：在街道照明中添加电动汽车充电站
- 系统内通信：10BASE-T1S 以太网可以替代大多数 I2C、SPI 和其他专有板载总线和背板（例如，服务器主板和交换机）。显著减少软件和维护工作量。简化布局和配电，而不影响数据速率或延迟
- 楼宇自动化：简化楼宇门禁系统
- 火车/电车/公共汽车：减少门模块、监控和紧急呼叫系统的接线。统一的以太网架构使维护和系统复杂性更易于管理
- 汽车：减少布线的重量、复杂性和成本。此外，支持面向服务的架构，直至 IVN 的边缘
典型的 10BASE-T1S 以太网 PHY 控制器提供通过非屏蔽单对电缆发送和接收数据所需的物理层功能，并支持通过标准 MII 接口与 MAC 进行通信。然而，安森美半导体的 NCN26010 以太网控制器在单个 MACPHY 设备上集成了 PHY 和 MAC，将以太网带到使用没有集成 MAC 的中/低端 MCU 的传感器和其他工业设备。这反过来又显著降低了系统复杂性，并提供了在初始安装后在不断变化的系统配置中重新利用节点的灵活性。
图 2：MACPHY 设备可以连接到工业控制器、传感器和其他可能不包含 MAC 的设备。
MACPHY 以太网收发器
onsemi 的 NCN26010 是市场上第一款 10BASE-T1S 以太网 MACPHY。它是一个集成的以太网 MACPHY 收发器，无需外部 MAC 设备即可连接传感器、执行器和其他工业设备。
NCN26010 有两大与众不同之处。第一种是增强型抗噪模式，具有出色的误码率 (BER) 性能，可实现 8 个节点的覆盖范围最远 50 米，是 IEEE 802.3cg 标准要求的 2 倍。NCN26010 符合10 Vrms 的 IEC6100-4-6 传导抗扰度测试标准，从而确保在嘈杂的工厂环境中也能进行可靠的信号检测。第二个是线路引脚上的电容较低，这使得单个段上可以连接更多的节点。它允许单根 25 米单对电缆上最多连接 40 个节点，是 IEEE 802.3cg 标准要求的五倍。
图 3：NCN26010 具有低线路电容，可在单根 25 米非屏蔽单对电缆上提供多达 40 个节点。
NCN26010 还通过遵循以太网的分层方法降低了软件维护成本。因此，更改以太网 PHY 不需要修改上层软件层。
工业以太网到边缘
NCN26010 提供的以太网解决方案可用于过去不可能或不实用的地方，从而帮助企业实现工业 4.0 的优势。10BASE-T1S 可以将以太网连接扩展到工业网络的边缘，同时简化架构并降低网络安装和维护成本。
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参考文献
1 确定性、实时控制：它在运动控制应用中到底意味着什么？
2 以太网 10BASE-T1S 和 10BASE-T1L 正在重塑车辆和工业连接 - 微波产品文摘