罗伯特·梅特卡夫(Robert Metcalfe),大卫·博格斯(David Boggs)及其同事早在1973年发明以太网时,就真正开始了一些事情。它最初只是局域网霸主地位的众多竞争者之一,并从根本上赢得了这场战斗.


今天,以太网已经无处不在。它从2.93-Mb/s和10-Mb/s的基于同轴电缆的技术发展到使用非屏蔽双绞线(UTP)和速度超过100Gb/s的光缆,提供多种标准。以太网被IEEE标准化为 "802.3",现在主导着网络世界。而对更多变化的追求还在继续向前。

新的以太网标准解决了工业应用的范围限制难题

以太网的总体方向是继续通过多种物理层(PHY)变化来提升数据速率。在过去的几十年里,同轴电缆被放弃,改用UTP,速度以10倍的速度增长。今天,UTP占主导地位,使用多对的速度已经超过了100-Gb/s大关。标准组织正在为800Gb/s及以上的速率制定标准。


另一项努力是使以太网适用于其他应用。不久前,我们得到了速度较慢的2.5-Gb/s和5-Gb/s适应的10GBASE-T标准,它更适合于支持Wi-Fi接入点的现有布线。


最近增加的另一个是汽车以太网,称为802.3bw或100BASE-T1,它用单对适应以太网在恶劣的汽车环境中的应用。较新的单对标准之一是802.3cg或10BASE-T1L。这种单对UTP 10-Mb/s连接可以达到1公里。


修复以太网弱点


以太网的主要限制是其覆盖范围。大多数以太网标准的最高距离为100米,这涵盖了许多甚至是大多数应用。但在有些情况下,这还远远不够。这些包括工业工厂自动化和过程控制,用于在大型设施中部署一些现场变送器和交换机、传感器和其他设备,其覆盖范围较长。


在楼宇自动化中,HVAC、消防安全以及电梯等设备往往需要长距离的覆盖。这就是为什么在一些工业应用中,老式的现场总线标准,如4~20mA的HART和其他标准仍被广泛采用。它们可以维持的连接范围远远超过通常的以太网标准的范围。


满足这种需求的以太网解决方案是10BASE-T1L,它使用单根UTP覆盖长达1000米的范围。而且它的数据处理速率可以达到10 Mb/s,不仅解决了距离问题,还可以让工业工程师提高通信速度。另外一个好处是,它消除了一些协议转换、对网关的需求以及其他适应性,而这些通常是在工业环境中提供互操作性所必需的。


另一个好处是,单线对的要求允许使用现有的电缆。运行新电缆的一个主要问题是成本和时间。几乎任何单对都可以使用,可能包括一些现有的现场总线电缆。


以太网已经在工业中广泛使用。一些标准涵盖了监督控制的需求,这些标准连接到整个行业中通常使用的IT/业务网络。新的标准使人们有办法在这个现在可以延伸到边缘的大网络中包括非常远程的传感器、仪表、开关和其他必需品。


细看标准


该标准有两部分。主要提供的是10BASE-T1L,或长距离达到1公里。该连接为点对点(p2p),具有全双工功能。另一种是10BASE-T1S,或短距离选项,提供p2p半双工覆盖至25米。这个版本包括了多址的可能性,并使用标准的以太网CSDMA/CD竞争接入方式。


PHY采用了不同寻常的PAM3 4B3T线路编码。PAM3意味着有三个电压级别来编码数据:一个正脉冲、一个负脉冲和零(例如,+ 0 -、- + 0、0 + -等)。这就是三元码,实际上,给出了3 3 = 27种组合来表示16个4位码。这16种代码被映射到一个三符号表上。并非所有的三符号码都被使用,例如,000并没有被包括在内,以避免长字符串出现没有过渡的情况。


编码逻辑过程是这样的,它跟踪线路上的直流电平,并进行修正,使这个直流偏置保持为零,这使得波特率或信令速率为比特率的四分之三。在本例中,净10-Mb/s数据速率为7.5 MBd。没有使用前向纠错(FEC)。


2.4V p2p的脉冲允许1000米的范围,1-V p2p选项用于小于200米的范围。全双工传输是通过回声消除方案实现的。


该标准的一个主要特点是它对数据线供电(PoDL)的支持。有了这一规定,远程设备可以由它所连接的设备供电,这在工业应用中是一大优势。


实施10BASE-T1L


虽然802.3cg标准早在2019年就已获批,但采用活动却很少。这可能是由于缺乏合适的IC收发器来实现PHY。然而,一种可能性是德州仪器的DP83TD510E(见图)。这种低功耗的802.3cg PHY符合标准的所有规则,使采用该标准设计设备成为可能。

新的以太网标准解决了工业应用的范围限制难题

这款设备在1-V p2p模式下的功耗为38 mW,在2.4-V p2p模式下的功耗为82 mW。当然,它还兼容多种以太网MAC接口,包括,MII,RMII主/从模式,RGMII,以及其他特殊的RMII模式。


一些额外的有用功能是25和50-MHz的时钟输出和诊断工具箱。诊断工具允许进行开路和短路检测、带有环回规定的自测试、多条有源链路诊断以及用于确定电缆劣化的信号质量指示器。该IC采用单一3.3V电源工作。封装为5×5毫米的QFN,有32个引脚。


综上所述,10BASE-T1L单对PHY的诞生是为了帮助工业工程师实施其工业物联网项目,提升更远距离的数据速率,同时用一个标准接口来整合网络,以简化网络以及降低成本。


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