在一个越来越依赖无线通信的世界里,有线世界似乎已经过时了。然而,在工业物联网(IIoT)中,电线仍然是标准。在工业环境中保持有线连接有几个原因,包括射频干扰、拥挤的无线电频段、许可要求和简单的响应。

传统上,工业应用一直是老式现场总线技术(如Profibus、Modbus、CAN等)的目标。这些技术通常基于双绞线,一般在1mbps或更低的性能水平。在工业世界,成本就是一切。因此,传感器和执行器的布线需要便宜和长寿命。因此,单双绞线是标准接线方式。

尽管如此,我们看到了第四次工业革命的扩张,也就是工业4.0(I4)。I4的特点是使用大规模机器对机器(M2M)通信,并部署物联网(IoT)以提高自动化程度。这一趋势的目标是部署能够在无需人工干预的情况下操作、分析数据和采取行动的智能设备。I4成功的关键在于连接性和性能,同时尽可能减少可能导致延迟的信号中间转换。此外,物联网要素通常集中于能够无缝地将数据从传感器传输到云端。在我们当前的世界中,这意味着使用IP协议栈。

图1所示。我们是如何实现工业4.0的。(图片:ChickenDoodleDesigns /在上面)

不幸的是,没有一种传统的现场总线技术通常通过IP帧。这意味着需要翻译框将Profibus或CAN帧转换为IP帧,反之亦然。这会带来延迟并增加成本。而且,由于大多数现场总线技术与现代通信(如Wi-Fi或5G Cellular)相比相对缓慢,因此需要一种新的方法来支持I4日益增长的通信需求。

利用汽车的进步

在汽车领域,我们看到高级驾驶员辅助系统(ADAS)中的传感器所需的数据量正在爆炸。与传统工业应用一样,汽车应用依赖于现场总线技术,如CAN,用于电子控制单元(ECU)和传感器/执行器(如防抱死制动器、排放控制等)之间的通信。然而,CAN的1-Mbps速率限制,甚至CAN-FD的增强数据速率(高达5 Mbps)都不足以满足现代ADAS车辆的多摄像机馈送、雷达和激光雷达。汽车应用程序需要的是一种可靠的高速网络功能,它可以缩短新功能的上市时间,同时减轻重量。此外,在车辆内支持IP的能力将简化软件开发,并将对协议转换器的需求降至最低。

如果我们翻开信息技术世界的一页,我们会发现以太网在很大程度上是一种主导技术,即使在无线协议方面也是如此。以太网是在云基础设施内以高达400 Gbps的数据速率提供有保证性能的主干网。然而,传统的以太网通常使用两对或四对布线或光纤。与单对CAN总线相比,传统以太网布线更昂贵、更重(对于两对或四对布线),或者更不坚固(对于光纤)。因此,能够处理1-Gbps范围内数据速率的单对以太网将是理想的。输入xBASE-T1单对以太网(SPE)。

标准化SPE

IEEE 802.3工作组负责与以太网相关的标准。最初于1983年标准化的以太网,以其多种形式超越了包括ARCNET、FDDI和令牌环在内的竞争技术。以太网最初基于同轴电缆,后来发展为使用屏蔽和非屏蔽双绞线,到20世纪90年代初,无处不在的RJ45(8P8C)连接器成为许多计算设备上的常见固定装置。

最初的10BASE-T实现依赖于两个线对,一个差分对用于传输,一个差分对用于接收。该标准限制为10 Mbits/sec,比最初基于同轴电缆的方法快得多,但使用了星形而不是同轴电缆解决方案的总线拓扑。这种星型有线方法要求使用一个称为以太网交换机的集中式集线器,它可以处理连接到交换机端口的设备之间的数据移动。随着快速以太网(又称100BASET)的引入,同样的两对电缆解决方案得以延续,该以太网支持高达100Mbits/sec的数据速率。随着千兆以太网(1000BASE-T)的引入,线对的数量翻了一番,达到了四对,数据速率也提高了一个数量级。

除了改变数据速率外,一种被称为以太网电源(PoE - IEEE 802.at-2009)的技术引入了几种替代方法,在与数据相同的以太网电缆上传输电源。PoE支持在48 VDC下提供高达25.5 W的功率,可为监控摄像头和无线接入点等远程设备供电。最新的版本被称为数据线电源(PoDL - IEEE 802.3bu-2016),它允许在12、24或48 VDC下提供高达50 W的功率。PoDL是专门为xBASE-T1 SPE市场开发的,允许数据和电源通过单线对传输。

图2.(图像由TE Connectivity提供)

xBASE-T1标准可进一步细分为10BASE-T1L(IEEE 802.3cg)、100BASE-T1(IEEE 802.3bw)和1000BASE-T1(IEEE 802.3bp)。下表总结了这些变体的主要功能:

表1:SPE类别规范

10BASE-T1L中的“L”表示“长距离”,因为其长度为1 Km(根据电缆质量和连接器类型,许多实施方式实际上可能超过1 Km)。SPE规范的许多优点之一是,它可以使用现有的单双绞线现场总线电缆。这对于工业应用来说是一个巨大的节约。此外,通过添加PoDL,远程设备可以支持通信并通过相同的电缆段供电。作为一个额外的好处,10 Mbit/sec的数据速率比它要取代的现场总线实现要快得多。

T1L变型的目标是点到点应用,但也有一种“短距离”变型(10BASE-T1S),它作为多点实现连接,以取代常见的现场总线版本,如20 mA电流回路和CAN。T1S口味的范围显著缩短至25米。但是,多支路的使用允许使用单端口接口的单电缆连接介质访问PHY。

为了支持多点接入和避免电缆上潜在的竞争,有两种方法。第一种方法是使用载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/ CD),这可以追溯到20世纪80年代最初的以太网实现。在这种方法中,每个车站在发送信号之前首先侦听公共汽车上的流量。如果多个站同时尝试发送,则检测到碰撞,每个站停止发送,等待一小段随机时间,然后重复这个过程,侦听空闲总线并再次尝试发送。这是一种简单的方法,但它在通信中添加了随机元素,这将引入延迟。

如果应用程序尤其延迟敏感,另一种物理层防撞(PLCA)可以添加到CSMA / CD机制,其中一个站指定主,只发送一个灯塔,允许车站指定的信标传输(有点像一个令牌环实现)。这通过为每个站提供一个指定的槽来促进确定性,并避免了当站的数量增加到31个站的最大值时发生碰撞的可能性。应该注意的是,PoDL还没有定义为在多拖放应用程序中使用。

以太网是以太网

SPE的一个重要优势是,归根结底,它是以太网。因此,就协议栈而言,SPE就像其他以太网段一样。这意味着您可以在SPE实现之上轻松地使用IPv4/IPv6协议。这是一个巨大的软件开发时间节省,因为软件团队可以使用标准的基于IP的API进行通信。不需要从一个现场总线变体到IP和IP的协议转换,从而减少延迟并消除协议转换器设备的成本。

SPE交换机中的自动速度检测也是一种可能性,就像典型的四对以太网交换机一样。因此,一个交换机可以处理10BASE-T1、100BASE-T1和1000 BASE-T1段,并支持更传统的两对或四对以太网接口,用于调试或与传统IT硬件(如面板PC)接口。如果需要,交换机还可以支持PoDL为远程设备供电。

图3.SPE的M8混合接头(图片由TE提供(连接)

为了避免无意中混淆SPE和传统以太网段,SPE使用IEC 63171-6连接器。该连接器为开放式标准,具有IP20和IP65/67两种版本。制造商提供标准插入式、推/拉式和螺钉式配合面的连接器。此外,在现有的现场总线实施中,还提供了M8和M12连接器的选件。

的前景

SPE将在工业4.0中发挥重要作用。SPE工业合作伙伴网络已经由30多家制造商组成,这些制造商提供电缆、组件、PHY硅、以太网交换机和评估设备。SPE能够提供更高的性能,利用现有的电缆设备,提供电源,并与传统IT型以太网实现软件兼容,因此,随着现有系统的老化,SPE为替换有线传感器和执行器提供了一种相对低成本的升级途径。SPE是工业自动化和汽车的未来吗?它当然有潜力。

本文由航天公司(El Segundo, CA)嵌入式系统架构师资深项目负责人Mike Anderson撰写。欲了解更多信息,请与michael.e. Anderson先生联系。或访问anderson@ aero.org在这里.


传感器技术杂志

这篇文章第一次出现在2021年3月的传感器技术杂志。

阅读更多本期文章在这里.

阅读档案中的更多文章在这里.