深度解读边缘设备全以太网方案10BASE-T1S,这份白皮书速速收藏

10BASE-T1S是实现工业4.0、汽车 IVN和智能建筑中边缘设备全以太网化的缺失环节,可与促进人工智能和机器学习的100/1000BASE-T1以太网主干网对接。这是因为10BASE-T1S可直接连接到以太网MAC层下数据链路层 (L2) 的现有OSI参考模型层,无需使用低效且昂贵的协议网关。10BASE-T1S多点传送SPE也是10BASE-T1L长距离(1千米)点对点传输的最佳补充。《边缘设备全以太网方案:10BASE-T1S》白皮书将系统介绍探讨10BASE-T1S如何在工业和汽车中运作,本文为第二部分,将介绍10BASE−T1S控制器架构、OPEN联盟(Open Alliance)SPI接口和块、安森美(onsemi)的NCN26010 10BASE−T1S控制器等。

10BASE−T1S控制器架构

三种典型的10BASE−T1S控制器体系结构如下图1所示。在左侧,MAC(媒体访问控制)与PHY(物理层器件)和PLCA一起集成到10BASE−T1S控制器中,仅需通过五个SPI(串行外设接口)引脚与MCU通信。

在图1的中间,MCU包含MAC,而10BASE−T1S控制器包含PHY和PLCA,通过16个外部引脚的MII(媒体独立接口)接口(第22条)与配套MCU通信。在图1的最右侧,MCU包含MAC、PLCA和ePHY,而10BASE−T1S控制器包含PMD(Physical Medium Dependent)。从本质上讲,ePHY包含大部分数字PHY电路,PMD包含大部分模拟PHY电路。还开发了一种11引脚RMII(精简媒体独立接口),但多项研究表明,使用RMII与PLCA存在互操作性问题。

图1. 三个10BASE−T1S控制器.JPG

下图2说明了这三种10BASE−T1S控制器体系结构,如何适用于100/1000BASE−T1以太网中继分支到多个10BASE−T1S子节点中。

图2.100-1000BASE−T1分支.JPG

图2.100/1000BASE−T1分支到10BASE−T1S子节点
OPEN联盟(Open Alliance)SPI接口和块

2021年12月20日,以太网OPEN联盟发布了“10BASE−T1x MAC−PHY串行接口”规范(Open_Alliance_10BASET1x_MAC−PHY_Serial_Interface_ V1.1.pdf),该规范描述了MAC−PHY 10BASE−T1x控制器和配套MCU之间的串行接口。

MAC−PHY被指定为通过下图3所示的单个全双工串行外围接口承载数据(以太网帧)和控制(寄存器访问)事务。接口至少支持15 MHz的SPI时钟(SCK)速率。可以以较慢的速度操作,但供应商通常支持较快的速度。

图3.开放式串行10BASE−T1x接口的引脚.JPG有时,MCU可能太忙,无法在给定时间通过SPI传输(TX或RX)整个以太网帧。在这种情况下,以太网帧可以以数据块的形式传输。块可以是8、16、32或64字节。SPI会为全速流量运行的STM32 MCU增加大约6%−8%的负载开销。

安森美的NCN26010 10BASE−T1S控制器

图4显示了2022年6月发布的NCN26010 10BASE−T1S控制器内部框图,完全符合IEEE802.3cg规范,适用于单对以太网(SPE)上的多点、半双工、10 Mb/s速率。NCN26010 采用QFN32、4 mm x 4 mm封装,包含MAC、PLCA和PHY(RX+TX)。NCN26010单3.3 V供电,使用25 MHz晶振或时钟源,支持由上述OPEN联盟定义的OA SPI接口,以及增强的噪声抗扰度。

图4.NCN26010 10BASE−T1S控制器内部框图.JPG安森美的NCN26000 10BASE−T1S PHY(MII)

下图5显示了2024年4月发布的NCN26000 10BASE−T1S物理层器件内部框图。与NCN26010一样,完全符合IEEE802.3cg规范,适用于单对以太网(SPE)上的多点、半双工、10 Mb/s数据速率。

与NCN26010相比,QFN32、5 mm x 5 mm封装的NCN26000中仅包含PLCA−RS和PHY(RX+TX)。作为仅具有PHY器件的NCN26000,拥有和NCN26010相同的高级PHY功能。单3.3 V供电,使用25 MHz晶振或时钟源,支持符合IEEE802.3的MII接口,以及增强的抗噪声功能,相关内容将在下文中进一步讨论。

图5. NCN26000 10BASE−T1S控制器内部框图.JPG

Linux对NCN26010和NCN26000的支持

以太网最重要的因素之一是“免费”提供的大量软件。安森美认识到这个大型生态系统的重要性,Linux是支撑新技术开发的重要工具,尤其在嵌入式系统中。因此,NCN6010完全支持Linux内核(从6.5版本开始),对NCN26000的支持已经完全集成到Linux内核中(从6.3版开始)。

截至2023年7月,设备驱动程序处于测试阶段,支持NCN26010的所有主要功能,与Linux网络基础设施和编程模型无缝集成。测试版驱动程序可应客户要求提供。

多点连接线路终端

图6展示了IEEE802.3cg规定的10BASE−T1S多点线路终端,其中多点SPE电缆的两端需要100Ω差分边缘终端(最小25米)。

节点PMA(物理介质附件)的传输,将通过两个100nF电容(交流耦合)驱动正边缘或负边缘,通过标称最大10cm距离(传输线短截线)传播到MDI(介质相关接口)并进入电缆。非传输节点的PMA保持高阻抗,不影响传输线,最大限度地减少短截线的不连续性。

图6. 10BASE−T1S线路终端.JPG

MDI连接器和PMA信号

下图7展示了两个MDI(介质相关接口)连接器示例,以及IEEE802.3cg规范中的PMA(物理介质连接)引脚与信号的映射关系。IEEE802.3cg规范为10BASE−T1S多点拓扑提供了18 AWG到26 AWG的线缆规格指南。

图7. MDI连接器IEC 63171−1和IEC 63171–6.JPG

10BASE−T1S多点终端,带NCN260x0评估板

图8说明了如何使用NCN26010评估板作为10BASE−T1S多点连接终端。物理上位于电缆端点的两个评估板,JP2开关关闭。两个端点内的所有其他节点都打开JP2开关。如果客户希望将NCN26010评估板用于“Engineered PoDL”(数据线供电),则JP2和100Ω无源电阻需要移动到100 nF 交流耦合电容的另一侧。

在任务模式下,NCN26010具有GPIO,可用于启用或禁用100Ω终端。

图8. NCN26010评估板多点终端.JPG

10BASE−T1S多点分段中的故障节点

如果任何10BASE−T1S节点发生故障,假设PMA信号BI_DA+和BI_DA-对地短路,两个PMA信号都与MDI交流耦合,则故障节点不会引起10BASE−T1S其他节点故障。

随着PLCA循环的迭代,发生故障的节点始终对其他节点保持静默,并且PLCA循环将继续执行循环总线仲裁过程。管家固件程序可以加载到PLCA协调器(节点0)的MCU中,监测每个节点的延长静默,以确定节点是否发生故障,而不是正常运行中,但没有数据传输的正常情况。

发生故障的PLCA协调器(节点0)和CSMA/CD

如果PLCA协调器发生故障,则10BASE−T1S将恢复为CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)。CSMA/CD允许任意节点在任意时间传输到总线上。如果发生冲突,冲突节点会识别出冲突,然后在再次传输之前“随机等待时间”。概率告诉我们,多个随机等待时间不会同时结束。因此,在每个节点的“随机等待时间”之后,该节点将重试传输。

图9说明了8个节点和64字节有效数据的PLCA相对于CSMA/CD的优势。在图9的左侧,PLCA吞吐量与传输节点的数量无关,为9.6 Mb/s。相反,CSMA/CD吞吐量随着节点数量的增加而急剧下降。在图9的右侧,PLCA的访问延迟范围为10微秒到100微秒,具体取决于总线负载百分比。相反,CMSA/CD访问延迟的范围从100微秒到10毫秒。

图9. 8个节点和64字节有效数据.JPG

将节点添加到现有10BASE−T1S多点连接段

每个节点都需要有一个不同的PLCA编号。但插入额外的节点时,并没有任何规则或协议来定义这一点。

然而,一个可行的方案可能是:

−在CSMA/CD中启动新节点。

−协调器节点可以每10秒进行一次“角色调用”,并获取电缆上所有站点的MAC地址(这需要用户定义专用以太网帧)。

−协调器保存所有MAC地址的列表,并为其分配一个PLCA ID,通过专用以太网帧进行通信。

−一旦所有站点知道其地址,协调器“命令”所有站点进入PLCA。

这只是一个例子,可能还有其他算法可以实现同样的效果。这完全取决于客户希望如何进行PLCA ID分配。

PMA线路编码与信号幅度

PMA(物理介质附件)的10BASE−T1S线路编码为4B/5B+DME(差分曼彻斯特编码),直流平衡,差分信号峰峰值为1.0 V ±20%。

NCN260x0增强噪声抗扰度(ENI)

根据IEEE802.3cg规范,发送器输出电压幅度为峰-峰值1 V ±20%。当总噪声接近500 mV的差分峰-峰值时,10BASE−T1S的信号完整性可能会受到影响,导致过多的比特误码或错误的载波检测。NCN26010和NCN26000包含一种称为增强噪声抗扰度(ENI)的功能,当总噪声超过500 mV峰-峰值时,该功能可以在不出现误码下,实现10 Mb/s的数据通信。

为了展示NCN260x0 ENI的优势,我们创建了图10所示的测试工作台,在禁用ENI的情况下,我们通过30米的CAT5e UTP(非屏蔽双绞线)电缆将以太网帧从2号开发板(TX)发送到3号开发板(RX)。

图10. 测试工作台.JPG

图10. 测试工作台

文章来源:安森美