作者：Maurice O'Brien and Volker Goller

介紹

本文介紹如何使用 10BASE-T1L MAC-PHY 連接到更多數量的低功耗現場或邊緣設備。它還將詳細介紹何時使用 MAC-PHY 與 10BASE-T1L PHY 以及這些系統如何滿足未來以太網連接制造和建筑安裝的要求。

背景

單對以太網 10BASE-T1L 用例（包括以太網 APL）在將更多設備連接到以太網網絡的需求的推動下，繼續在過程、工廠和樓宇自動化應用中擴展。隨著更多設備的連接，更豐富的數據集可用于更高級別的管理系統，從而顯著提高生產力，同時降低運營成本和能耗。以太網到現場或邊緣的愿景是將所有傳感器和執行器連接到融合的IT/OT網絡。為了實現這一愿景，存在系統工程挑戰，因為其中一些傳感器在功率和空間方面受到限制。低功耗和超低功耗微控制器市場不斷增長，這些微控制器具有重要的內部存儲器功能，適用于傳感器和執行器應用。但這些處理器中的大多數都有一個共同點 - 沒有集成的以太網MAC，它們不支持MII，RMII或RGMII媒體獨立（以太網）接口。傳統的 PHY 無法連接到這些處理器。

為什么使用 10BASE-T1L MAC-PHY

為了能夠與越來越多的低功耗設備建立長距離以太網連接，需要 10BASE-T1L MAC-PHY。使用 10BASE-T1L MAC-PHY，通過 SPI 向處理器提供以太網連接，無需集成 MAC，從而減輕處理器的負擔。MAC 功能現在直接與 10BASE-T1L PHY 集成。10BASE-T1L MAC-PHY 支持各種超低功耗處理器，為設備架構師提供了更大的靈活性和選擇。通過優化應用分區，10BASE-T1L MAC-PHY 通過過程工業中稱為以太網 APL 的 0 區本質安全部署實現低功耗現場設備。在智能建筑應用中，MAC-PHY將使更多低功耗設備連接到以太網網絡。智能建筑應用包括暖通空調系統、消防安全系統、訪問控制、IP 攝像機、電梯系統和狀態監控。

10BASE-T1L MAC-PHY 高級數據包過濾

MAC 功能與 10BASE-T1L PHY 的集成提供了優化網絡上以太網流量的新功能。具有高級數據包過濾功能的 10BASE-T1L MAC-PHY 將顯著減少處理廣播和組播流量的開銷，同時將處理器從此任務中解放出來。按目標 MAC 地址過濾是關鍵。MAC-PHY 可以支持使用多達 16 個單播或組播 MAC 地址進行過濾，而不僅僅是單個 MAC 地址。此外，兩個 MAC 地址支持地址屏蔽。這提供了很大的自由度，過濾設備地址以及通常支持的組播地址，如LLDP（鏈路層發現協議）。通過支持更高優先級的額外隊列，可以對某些消息進行優先級排序，從而獲得改進的延遲和健壯性。幀的優先級可以通過 MAC 過濾表來標識。例如，可以將廣播消息饋送到較低優先級的隊列中，并將單播饋送到較高優先級的隊列中，以防止接收器因廣播風暴或流量激增而過載。這些 MAC-PHY 濾波功能可實現網絡負載穩健的設備。MAC 還收集幀統計信息，以幫助監控網絡流量和鏈路質量（請參閱圖 1）。

圖1.10BASE-T1L MAC-PHY 通過高級數據包過濾功能顯著降低了設備的功耗和復雜性。

MAC-PHY 中的 MAC 還支持 IEEE 1588，因此支持 802.1AS 時間同步，這是過程自動化所需的。MAC-PHY 支持同步計數器、接收消息的時間戳和傳輸消息的時間戳捕獲。這大大降低了軟件設計的復雜性，因為除了MAC-PHY本身之外，不需要進一步的硬件支持來實現時間同步。MAC可以生成定時到同步計數器的輸出波形，該波形可用于同步外部應用程序級操作。SPI 接口支持 Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY 串行接口。開放聯盟 SPI 是一種非常有效的新型 SPI 協議，專為與 MAC-PHY 一起使用而設計。

何時使用 10BASE-T1L MAC-PHY 和 10BASE-T1L PHY

10BASE-T1L PHY 和 10BASE-T1L MAC-PHY 在不同的用例中都具有顯著的優勢。對于功耗關鍵型應用，10BASE-T1L MAC-PHY 在主機處理器的選擇上提供了更大的靈活性，包括沒有集成 MAC 的超低功耗處理器，從而降低了系統功耗。升級現有設備以添加以太網連接時，10BASE-T1L MAC-PHY 提供了重用現有處理器并通過 SPI 端口添加以太網連接的途徑，無需遷移到具有集成 MAC 的更大處理器。

對于現場或邊緣設備需要可能已經具有集成 MAC 的高性能處理器的高性能應用，具有 MII、RMII 和 RGMII MAC 接口的 10BASE-T1L PHY 允許快速開發 10BASE-T1L PHY。這是通過重用現有的 MAC 接口驅動程序來添加以太網連接來完成的（請參閱圖 2）。

圖2.MAC-PHY 與 PHY 在 10BASE-T1L 連接方面的優勢比較。

提高未來以太網連接過程安裝的靈活性

隨著 10BASE-T1L PHY（ADIN1100） 和 10BASE-T1L MAC-PHY （ADIN1110） 的推出，器件架構師現在可以提高靈活性，以滿足未來以太網連接制造安裝的要求。超低功耗設備和高性能設備可以部署在同一以太網網絡上，并符合危險區域用例要求的嚴格最大功率限制。10BASE-T1L 電源開關和 10BASE-T1L 現場交換機需要堅固耐用的低功耗 10BASE-T1L PHY 與工業以太網交換機配合使用，以部署中繼和雜散網絡拓撲，通過單根雙絞線電纜（包括危險區域用例）提供電源和數據。

現場設備連接需要 10BASE-T1L PHY 和 10BASE-T1L MAC-PHY，以實現與各種現場設備的以太網連接。更高功率的現場設備，包括流量計，將使用高性能處理器，集成MAC和10BASE-T1L PHY。低功耗現場設備，包括具有未集成MAC的超低功耗處理器的溫度傳感器，將使用10BASE-T1L MAC-PHY通過SPI接口與處理器進行以太網連接（參見圖3）。

圖3.用于過程自動化的中繼和支散網絡拓撲，采用 10BASE-T1L MAC-PHY 和 10BASE-T1L PHY。

10BASE-T1L PHY 和 10BASE-T1L MAC-PHY 主要特性的比較

ADI公司的10BASE-T1L MAC-PHYADIN1110通過SPI接口實現低功耗以太網連接到主機處理器，功耗僅為42 mW。ADIN1110支持開放聯盟10BASE-T1x MAC-PHY串行接口，用于時鐘速度為25 MHz的全雙工SPI通信。ADIN1100是ADI公司的10BASE-T1L PHY，可通過MII、RMII和RGMII MAC接口實現低功耗以太網連接，以低功耗僅為39 mW的主機處理器，請參見表1，了解ADIN1100 10BASE-T1L PHY和ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY的比較。這兩款產品均基于 10BASE-T1L 內核功能，采用全雙工、直流平衡、點對點通信方案，采用 PAM 3 調制，符號速率為 7.5 MBd，采用 4B3T 編碼。10BASE-T1L 支持兩種幅度模式：2.4 V 峰峰值（長達 1000 m 的電纜）和 1.0 V 峰峰值（縮短距離）。1.0 V峰峰值幅度模式意味著這種新的物理層技術也可用于防爆（防爆）系統的環境，并滿足嚴格的最大能量限制。

總結

10 Mb以太網物理層（10BASE-T1L）與兩根長達1公里的電線上的電力傳輸（工程電源/ PoDL / SPoE）相結合，將使新型以太網連接設備能夠產生更高價值的見解，現在可以通過轉換后的IT/OT以太網網絡更輕松地訪問這些見解。這些新見解將提高生產率并降低過程和工廠自動化應用中的能耗。在樓宇自動化應用中，這些新的見解將實現更高水平的能源效率、安全性和舒適性。因此，10BASE-T1L MAC-PHY將加速低功耗器件的可用性。

審核編輯：郭婷