10BASE-T1S：利用下一代以太網引領智能工廠革新

正在越來越多地采用智能技術，諸如機床、機器人、執行器和傳感器等設備都能生成、傳輸和接收數據。

為了使所有這些獨立的設備能夠可靠地通信，工廠需要采用安全可靠的協議。在過去，通信依賴于包括HART、RS-485、Modbus、DeviceNet、Profibus和CAN在內的多種網絡協議的混合使用。這種碎片化意味著需要昂貴的網關來連接不同的標準，而且維護變得既困難又昂貴。

取而代之的是，以太網網絡正在迅速成為工廠車間的首選骨干網絡。在本文中，我們將探討為什么10BASE-T1S，作為一種單對以太網標準，成為了替代傳統以太網和硬連線解決方案用于工業自動化的首選通信協議。

了解10BASE-T1S及其優勢

10BASE-T1S 由 IEEE 規范 802.3cg 定義，是一種多點、無沖突的以太網標準。它在非屏蔽、雙絞線、單對以太網（SPE）線纜上運行，顧名思義，它的數據傳輸速率為 10 Mb/s，比許多傳統的工廠網絡快得多。

10BASE-T1S 既可以在點對點 (P2P) 配置中使用，也可以在多點拓撲結構中使用，這是與需要 P2P 連接的傳統以太網標準相比的主要優勢。

多點配置意味著網絡中兩臺設備之間的每條鏈路都不需要有自己專用的點對點連接。這降低了布線的復雜性、成本和重量，使 10BASE-T1S 能夠提供符合工業應用需求的安全可靠的數據傳輸。

圖 1 顯示了 10BASE-T1S 系統的多點拓撲結構，支持至少八個節點。節點可以在混合網段（Mixing Segment）上串聯連接，或者位于推薦最大長度不超過10厘米的分支末端。

圖1 10Base-T1S多點傳輸、混合網段拓撲結構

對于智能工廠而言，采用 10BASE-T1S 可提高互操作性，實現與現有系統的無縫集成，使其更易于部署。與點對點以太網網絡相比，由于具備在不發送數據時關閉PHY（物理層）發射器等多重技術特性，10BASE-T1S能夠降低功耗。

雖然 IEEE 802.3cg 規范未定義多點網段的數據線供電（PoDL），但可以通過同一根電纜傳輸直流電和以太網數據。這種 “工程 PoDL ”是一種無需任何協商協議即可為多點 10BASE-T1S 網段提供數據線供電的系統。 10BASE-T1S 多點 “工程 PoDL ”目前已經可以使用，IEEE802.3da標準即將正式確定10BASE-T1S多點PoDL，并預計將在2024年底或2025年第一季度獲得批準。

工業5.0的連接性

工廠中的傳感器、執行器和其他聯網設備的數量已經大幅增加，預計到 2030 年將超過 2 億臺（2020 年為 8170 萬臺）。雖然其中一些設備將采用無線連接，但對有線網絡的強健性仍有大量需求，特別是隨著人工智能（AI）越來越多地應用于智能工廠邊緣設備。

如前所述，10BASE-T1S 以太網的出現正在快速取代智能工廠中的傳統現場總線技術，為工業 4.0 提供可靠的有線通信。10BASE-T1S 可將各種系統無縫集成到一個統一的網絡中，從而無需使用笨重的網關。

10BASE-T1S 的布線要求降低，有助于實現更輕便、更靈活的網絡，同時還能降低成本。展望工業 4.0，10BASE-T1S 將成為工業自動化領域未來的有線連接標準之一，為工業 5.0 奠定基礎。

在一個例子中，安森美（onsemi）的一位客戶在其智能工廠中從機電設備轉向聯網的電子版本，由于采用了10BASE-T1S技術，極大地降低了布線的復雜性，并減少了所需的部署時間。與點對點（P2P）非以太網網絡相比，10BASE-T1S的多點拓撲結構是實現這一簡化的重要因素。

10BASE-T1S 系統所需的布線更少，因此可以減少所需的機柜空間，節省寶貴的地面空間。由于不需要識別、添加或移除分散的電線，因此維修也更容易。

安森美助力10BASE-T1S技術

安森美10BASE-T1S 以太網控制器系列憑借可靠性和優異性能滿足了苛刻工業環境中的多點網絡需求。

NCN26010 是一款符合 IEEE 802.3cg 標準的以太網收發器。它包括一個媒體接入控制器（MAC）、一個物理層沖突避免（PLCA）調節子層（RS）和一個專為工業多點以太網設計的 10BASE-T1S 物理層（PHY）。它提供通過單根非屏蔽雙絞線收發數據所需的所有物理層功能。

NCN26000還提供通過單根非屏蔽雙絞線收發數據所需的物理層功能，并通過標準的媒體獨立接口（MII）與現有的半雙工10 Mb/s以太網MAC控制器通信。這意味著它支持與現有基礎設施和更復雜的設備（基于 FPGA 或 SoC）一起使用，從而使 10BASE-T1S 設備與中低復雜度的 FPGA 協同工作。

NCN26010和NCN26000最多可減少71%的物理布線，同時增加帶寬。與傳統的硬連線解決方案相比，它們能夠顯著減少布線時間，并提供增強的數據報告能力和整體效率的提升。它們緊湊的外形尺寸允許在機箱內靈活安裝，優化了空間利用。

總體而言，這些器件提高了工業網絡的可靠性、可擴展性和多功能性。圖 2 所示的兩個選項凸顯了 10BASE-T1S 控制器架構的靈活性和可擴展性。

圖2 三個 10BASE-T1S控制器，MAC+PHY和僅PHY

帶有 MAC、PHY 和 PLCA 的 NCN26010 只需要一個 5 引腳 SPI 連接到配套的 MCU。雖然 IEEE 802.3cg 規范只規定支持多達 8 個節點和 25 米的范圍，但實驗室實驗證明 安森美的控制器可以支持超過這一要求兩倍的范圍。通過使用安森美專有的增強抗噪（ENI）功能，NCN26010 在支持 16 個節點的情況下，傳輸距離可達 50 米；在支持 6 個節點的情況下，傳輸距離可達 60 米。通過精心選擇線纜和連接器，可以實現更長的距離和/或更多的節點。

結語

在當今的智能工廠中，10BASE-T1S 提供了一個強健、高效的網絡標準，可以取代分散的傳統網絡，從而重新定義了連接性。

在安森美 NCN26010 MAC/PHY 和 NCN26000 PHY 器件中實現的先進技術，可以輕松支持工業 4.0 的連接需求，并確立了一條向工業 5.0 及未來的工業發展邁進的路線圖。

2024年8月 ONSAR3200_A