工业以太网标准 10BASE-T1L 的最佳 PHY 是什么？

随着工厂网络面临的压力加强，工业以太网标准 10BASE-T1L 正引起越来越多的关注。看到 10BASE-T1L，许多人可能会说：“我知道 10BASE-T1L 这个名字，但我想再次查看它的功能”、“我想知道它与 4-20mA 和现场总线的比较”、“我想了解使用 10BASE-T1L 构建系统所需的 PHY 的信息”。本文将介绍 10BASE-T1L、10BASE-T1L 与传统系统的比较以及 ADI 10BASE-T1L 专用 PHY 产品系列，供希望改造工厂网络的工程师参考。

随着工业 4.0 时代的到来，在推动制造业 DX 和智能工厂的进程中，工厂目前使用的 4-20mA HART 通讯和现场总线通讯正面临着“无法应对数据量的增加”、“无法实时传输数据”等问题。此外，随着物联网的出现，通信距离变得更长，使得许多工厂的布线变得更加复杂。从“不想使布线变得更加复杂”和“希望降低电缆成本”的角度来看，出现了对以太网通信的需求。在此背景下，工业以太网 PHY 的新标准 10BASE-T1L 应运而生，于 2019 年 11 月 7 日批准为“IEEE 802.3cg”，其主要规格以名称“10BASE-T1L”表示。

新工业以太网标准 10BASE-T1L 采用单对双绞线电缆，可实现长达 1km 的长距离通信。它的传输速度为 10Mbps，支持全双工通信和点对点连接，也可以通过电缆供电。另外还具有本质安全性，适合需要防止易燃气体、粉尘引起火灾、爆炸的生产区域，其与标准工业以太网 PHY 标准的区别如下表 (表1) 所示。使用 10BASE-T1L，从终端设备到控制装置，只用以太网简单连接，减轻了连接器和电缆的重量，并降低电缆成本。

表1 标准工业以太网 PHY 和 10BASE-T1L 的区别

那么，10BASE-T1L 与传统的 4-20mA HART 通信和现场总线通信相比有哪些特点呢？下表 (表2) 对此进行了总结：

表2 4-20mA HART、现场总线和 10BASE-T1L 对比

(1) 10 Mbps 带宽以适应数据增长：4-20mA HART 通信和现场总线通信相比，10BASE-T1L 具有极宽的网络带宽，可直接从远程位置的传感器和执行器获取数据并实时协作。
(2) 无需网关即可实现1公里远距离通讯：到目前为止，从终端设备到上层以太网的数据链接通常需要网关在中间聚合数据。10BASE-T1L 支持 1 公里长距离通信，并提供点对点连接，无需网关即可实现无缝连接。
(3) 显著增加通过电缆提供的电量：10BASE-T1L 可通过电缆提供高达 500mW (防爆) 和 60W (非防爆) 的电源，简单的接线大大增加了传感器和执行器的供电。
(4) 以太网技术拥有众多年轻工程师：目前工程师面临老龄化问题，能够处理传统通信标准的工程师数量正在减少。但很多工程师，甚至是年轻的工程师都熟悉以太网技术，可毫无困难地进行部署，传授知识和技术。
(5) 通过重复使用电缆降低成本：由于没有特定的电缆规格，只要满足插入损耗和回波损耗等简单规格，就可以重复使用现有电缆，因此可以降低电缆成本并节省接线。

总而言之，通过使用 10BASE-T1L，可以为整个工厂创建一个与即将到来的工业 4.0 兼容的无缝网络连接环境。

实施 10BASE-T1L 时具体需要什么样的设备呢？接下来将介绍 ADI 工业 10BASE-T1L PHY 系列中的三款产品，该系列产品具有超低功耗。

超低功耗 10BASE-T1L 工业以太网 PHY ADIN1100 支持 1.0V pk-pk (双电源/单电源) 和 2.4V pk-pk (多电源) 传输模式。1.0V pk-pk 双供电模式下的功耗仅为 39mW，适用于最大能量受到严格限制的防爆应用。2.4V pk-pk多种供电模式可实现长达 1km 的电缆长度和 75mW 的超低功耗，有助于降低传感器和执行器的功耗，无需变压器即可连接电容器。它可以通过 MII、RMII 和 RGMII 接口与主机处理器的 MAC 进行通信。ADIN1100 支持长达 1700 米的电缆，并启用了自动协商功能，扩大了网络连接范围。 (但所使用的电缆有条件)

以下介绍内置 MAC 的 ADIN1110 PHY。通过 SPI 协议与主机处理器通信的能力使其易于处理，并大大扩展了处理器的选择范围，用户可以按原样重复使用当前解决方案的体系结构和软件，从而减少设计工作量。还内置了用于时间同步的时间戳，可实现更精确的控制。

ADI2111 有两个 PHY 端口，在单个设备上可轻松且经济地配置菊花链连接，同时内置 MAC 允许与主机处理器进行 SPI 通信。由于它可以轻松连接测量楼宇温度和湿度的设备，因此它适用于综合楼宇管理网络等。

以上介绍了三种类型的设备，它们都具有强大的诊断功能，使用户能够快速响应网络故障问题并减少系统停机时间。在链路质量监控中，SNR 还可以进行测量和估计位误差率，并支持环回、帧生成器和帧检查器。它内置电缆诊断功能 TDR (时域反射计)，可以分析故障的位置和类型。

10BASE-T1L 作为用户所需的电气隔离解决方案，Macnica 提供 Wurth Electronics 的各种产品。它符合 IEC 62368-1 标准，可用作 ADI PHY 设备的外围组件，例如电路中的变压器、共模扼流圈、二极管和电容器，甚至是外部以太网连接器，使其结构紧凑、重量轻、易于使用，有助于简化设计。本文介绍的每种器件均有评估板，每个基板提供了 2 种板，因此可以方便大家轻松地尝试将其用作主设备和从设备。

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