星空-探索工业应用中边缘连接的未来

[导读]我们的世界正变得加倍智能且慎密相连，楼宇和工场正之前所未有的体例实现主动化。为了确保这些新系统有用运行，靠得住的信息通讯相当主要——这不但表现在工业节制面板内部，也包罗遍及全部场合的各类装备之间的通讯。 我们的世界正变得加倍智能且慎密相连，楼宇和工场正之前所未有的体例实现主动化。为了确保这些新系统有用运行，靠得住的信息通讯相当主要——这不但表现在工业节制面板内部，也包罗遍及全部场合的各类装备之间的通讯。 直到比来，工业收集还很复杂，可能需要利用各类和谈和网关。这可能既昂贵又不成靠，难以确保应有的互联互通能力。 但是，跟着10BASE-T1S以太网的呈现，一场变化正在产生。这一立异尺度代替了传统的现场总线手艺，为现代收集情况供给了多种优势，并消弭了对网关的需求。 撑持新尺度的一系列装备，如安森美的工业 10BASE- T1S 以太网节制器，为毗连双绞线 (TP) 供给了靠得住有用的单芯片解决方案。 工业利用中的靠得住毗连 固然工业机柜内的距离相对较短，但要在工业利用中供给靠得住的毗连却极具挑战性，特殊是因为存在年夜量的电气噪声。年夜型配电盘、机电和很多其他年夜电流/高电压装备城市发生必然水平的电磁干扰，从而粉碎收集通讯。 在办公利用中，因为中止酿成的数据传输迟缓会使人懊丧或未便。但是，在工业利用中，数据的和时传输相当主要，特别是来自节制机械运行的长途传感器数据。假如数据延迟或不准确，可能会背反流程参数，更有甚者会破坏出产装备。 出在一样的缘由，和时传输数据变得尤其主要。这就不合用在那些基在随机超时来协商总线拜候权限的和谈。 10BASE-T1S 若何应对最新的工业毗连挑战 收集根本举措措施常被形容为一个 "仓库"，最底层是物理实现（布线/媒体），其上是日趋复杂的软件。在工场 4.0 利用中，人工智能 (AI)、机械进修 (ML)、计划、履行、主动化、跟踪、库存节制、监视节制等位在顶层。最底层（物理层）是工场车间，包罗机械人、履行器、活动传感器和阀门在内的边沿节点在这里履行实体系体例造工作，凡是笼盖多条装配线。 图 1 - 10BASE-T1S 消弭了对非以太网和谈和相干网关的需求 仓库顶层的通讯凡是是经由过程多千兆位以太网局域网进行的。但是，工场车间的通讯常常是由多点收集现场总线和谈（包罗 HART、RS-485、Mod-bus、DeviceNet、Profi-Bus 和 CAN）构成的零星收集，经由过程一对双绞线（多是屏障线或非屏障线）以兆位或更低的速度运行。 为了使其成为一个同一的收集来工作，需要在以太网部门和其他和谈之间安装网关，这会致使通讯碎片化，增添了本钱和复杂性。 一种新型以太网将显著加强智能楼宇和工场利用中的边沿毗连。 2019年IEEE 802.3cg规范的核准带来了10BASE-T1S。该尺度基在尺度以太网，但有几点主要差别，供给了10Mb/s的吞吐量、具有肯定性冲突处置机制的多点操作。该尺度能在非屏障单对双绞线（SPE）上运行，从而极年夜简化了安装进程并下降了本钱。 肯定性操尴尬刁难在及时系统相当主要，由于及时系统必需在已知时候内传输信息。传统以太网利用的 CSMA/CD （载波监听多路拜候/冲突检测），采取随机时候周期，是以没法包管通讯时候简直定性。 10BASE-T1S 利用一种称为 PLCA（物理层冲突避免）的新系统，可避免总线上的数据冲突。在 PLCA 下，由节点0（调和器）发送2.0µs信标同步收集中的各个节点。然后，节点0取得传输机遇。假如没有传输数据，则在默许尺度 3.2 微秒内将机遇传递给节点 1。如斯轮回来去，每一个节点顺次取得一次发送机遇。轮回竣事后，调和器发出信标旌旗灯号，新的轮回最先。假如某个节点试图传输的数据跨越答应的帧巨细，那末 "jabber "功能就会中止传输并将传输机遇传递给下一个节点，从而确保总线不会被梗阻。 经由过程利用PLCA，最坏环境下的媒体拜候延迟可以经由过程当前节点数目与最年夜收集帧巨细的乘积来计较，这是可以调剂的。 很多工业利用都处在卑劣的电磁情况中，开关装备、机电和其他年夜型装备会发生辐射和传导噪声。虽然利用的长短屏障双绞线，但与现有的以太网和谈比拟，10BASE-T1S供给了超卓的电磁兼容性（EMC）机能。 这部门归功在 PLCA 的利用。因为总线已知是无冲突的，当情况中存在高程度噪声时，物理层领受器可以或许利用复杂的算法来检测或恢覆信号。 安森美的以太网节制器：加强毗连性 跟着 10BASE-T1S 和谈的推出，新器件针对 10BASE-T1S 进行了优化，使设计人员可以或许充实操纵新特征。例如，安森美的 NCN26010 是一款合适 IEEE 802.3cg 尺度的以太网收发器，它集成了媒体拜候节制器 (MAC)、PLCA 和谐子层 (PLCA-RS) 和合用在工业多点以太网的 10BASE-T1S 物理层。该器件内置了经由过程单根非屏障双绞线收发数据所需的所有物理层功能。 图2——NCN26010根基框图，标示了外部元器件 虽然集成了MAC、PLCA和PHY（包罗TX+RX），该器件却可封装在一个小巧的4mm x 4mm QFN32封装内，而且仅需单一的3.3V电源供电。当时序是由外部25MHz晶体振荡器或外部25MHz时钟源驱动。与主机的通讯则经由过程Open Alliance界说的OA SPI接口进行。 另外，NCN26010 还具有加强抗噪（ENI）功能，可将抗噪能力提高到高在 10BASE-T1S 规范要求的程度。这年夜年夜提高了喧闹工业情况中的收集机能。 安森美在 2024 年 4 月发布了专为工业以太网设计的 NCN26000 10BASE-T1S 以太网收发器 (PHY)。它与初期的 NCN26010 有良多不异的地方，包罗合适 IEEE802.3cg 尺度，可经由过程 SPE 实现多点、半双工 10 Mb/s 数据传输速度。 图 3 - NCN26000 具体内部框图 这两款器件的首要区分在在，NCN26000 在一个 5mm x 5mm QFN 封装中仅包括 PLCA-RS 和 PHY（TX + RX）。NCN26000 还需要 3.3 V 电源和 25MHz 外部时钟。 NCN26000具有合适IEEE802.3尺度的媒体自力接口（MII），可以或许毗连至任何具有CRS和COL引脚的CSMA/CD半双工功能的MAC，MII 还可用在设置装备摆设和监测器件（称为 MDIO）。 这两款器件都集成了安森美的 ENI 功能，可显著提高 10BASE-T1S 多点利用在电噪声情况中的机能。在尝试室进行测试时，这两款器件轻松跨越了 25 米内 8 个节点的最低要求。事实上，进一步的测试注解，ENI 可在 25 米处撑持约 40 个节点，在 50 米处撑持 16 个节点，在 60 米处撑持 6 个节点，轻松跨越了 IEEE 规范的要求。 利用和摆设场景 10BASE-T1S 不但具有肯定性工作的特点，其基在非屏障单对以太网（SPE）线缆，摆设本钱相对较低。10BASE-T1S 的更低本钱和更简单的集成有助在为之前受预算或封装限制的利用带来普遍的可能性。此中一个例子是，在复杂的工业主动化中，经由过程将之前自力的传感器节点进行进级，毗连到集中的收集系统。之前可用的毗连方式可能过在昂贵或难以集成，而 10BASE-T1S 则降服了这些障碍。在新的机械人或主动化解决方案的设计进程中，也会碰到近似的本钱和封装挑战，10BASE-T1S 可以再次帮忙实现更高的互连性，而不会影响机能或增添预算。 跟着楼宇主动化范畴的不竭成长，10BASE-T1S 可用在节制面板、人机界面 (HMI)、传感器、履行器和照明等利用，为全部楼宇供给高速靠得住的骨干网。 在工业利用中，机能和本钱很主要，而抗噪声能力则尤其主要。在这里，10BASE-T1S 可用在毗连从节制柜到可编程逻辑节制器 (PLC)、传感器、接触器和其他任何恰当配备 10BASE-T1S 接口的器件。 直到比来，因为边沿装备经常使用的各类和谈彼此之间不兼容，主动化工场的收集需要在边沿装备和主以太网收集之间安装很多网关。凡是环境下，这些现场总线和谈包罗 HART、RS-485、Mod-bus、DeviceNet、Profi-Bus 和 CAN，每种和谈都需要各自的网关。这就增添了本钱和复杂性，特别是每一个网关都需要软件更新和保护。 跟着 10BASE-T1S 的呈现，工业收集得以简化，同时机能也获得了提高。不再需要网关的存在，边沿毗连也从低在 1Mb/s 的现场总线和谈改变为10Mb/s 简直定性以太网。 安森美具有一系列合用在新和谈的产物，此中包罗两款合适 IEEE 802.3cg 尺度的节制器。凭仗其怪异的 ENI 功能，它们可以或许成功地摆设在噪音最年夜的情况中，乃至可以在 25 米的线路上毗连多达 40 个节点，是尺度要求的四倍。

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来历：安森美

作者：安森美摹拟与夹杂旌旗灯号事业部 (AMG) ，产物营销工程师，Arndt Schübel

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