深度解读边缘设备全以太网方案

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、MAC+PHY、仅PHY或PMD

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

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

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

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

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

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

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字节有效数据的PLCA与CSMA/CD的比较

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