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10BASE-T1L MAC-PHY如何簡化低功耗處理器以太網連接
前言：
作者：Maurice O’Brien，戰略營銷經理，Volker E. Goller，系統應用工程師
簡介
本文介紹如何利用10BASE-T1L MAC-PHY連接越來越多的低功耗現場設備和邊緣設備。此外，本文還將詳細說明何時使用MAC-PHY與10BASE-T1L PHY以及這些系統如何滿足未來的以太網互聯制造和樓宇安裝要求。
背景信息
隨著越來越多的設備需要接入以太網，流程、工廠和樓宇自動化應用中的單對以太網10BASE-T1L用例（包括以太網APL）不斷擴展。隨著互聯設備增加，更高級別的管理系統可以使用更豐富的數據集，從而使生產效率得以顯著提高，同時降低了運營成本和能耗。以太網至現場或邊緣的愿景是將所有傳感器和執行器連接到一個融合IT/OT網絡。實現這一愿景存在系統工程方面的挑戰，因為其中一些傳感器受功率和空間的限制。適用于傳感器和執行器應用、具備強大內部存儲功能的低功耗、超低功耗微控制器市場需求日益增長。但大多數這樣的處理器都有同樣的問題，那就是沒有集成的以太網MAC，不支持MII、RMII或RGMII媒體獨立（以太網）接口。傳統的PHY無法與這些處理器相連。
為什么要使用10BASE-T1L MAC-PHY？
為了與更多低功耗設備實現遠程以太網連接，需要用到10BASE-T1L MAC-PHY。借助10BASE-T1L MAC-PHY，可以通過SPI將以太網和處理器連接在一起，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，為設備架構師提供靈活的選擇。通過優化應用分區，10BASE-T1L MAC-PHY可以利用流程自動化中的以太網APL來實現更低功耗的現場設備，實現區域0本質安全部署。在智能樓宇應用中，MAC-PHY可將更多較低功耗的設備連接到同一個以太網。智能樓宇應用包括HVAC系統、消防安全系統、門禁、IP攝像機、電梯系統和狀態監控。
圖1.10BASE-T1L MAC-PHY可以通過高級包過濾明顯降低設備的功耗和復雜度。
10BASE-T1L MAC-PHY高級包過濾
集成了MAC功能的10BASE-T1L PHY可以優化網絡上的以太網流量。具備高級包過濾功能的10BASE-T1L MAC-PHY可以大幅減少處理廣播和多播通信的開銷，把處理器從這個任務中解放出來。按目標MAC地址進行過濾是關鍵。MAC-PHY可以對多達16個單播或多播MAC地址進行過濾，而不僅僅是單個MAC地址。此外，地址掩碼可支持兩個MAC地址。這提供了很大的自由度，過濾可用于設備地址和共同支持的多播地址，例如鏈路層發現協議(LLDP)。通過為優先級更高的消息提供額外的隊列，可以優先處理某些消息，從而改善延遲，增強魯棒性。幀的優先級可以通過MAC過濾表來識別。例如，可以將廣播消息送入優先級較低的隊列、將單播消息送入優先級較高的隊列，從而防止接收器因廣播風暴或流量激增而發生過載。這些MAC-PHY過濾特性可以增強設備的網絡負載魯棒性。MAC還收集幀統計信息，以便于監控網絡流量和鏈路質量（見圖1）。
MAC-PHY中的MAC還支持IEEE 1588；因此，流程自動化需要802.1AS時鐘同步。MAC-PHY支持同步計數器、接收消息的時間戳和發送消息的時間戳捕獲。這大幅降低了軟件設計的復雜度，因為除了MAC-PHY本身之外，不需要額外的硬件就能實現時間同步。MAC可生成定時到同步計數器的輸出波形，因此，可用于同步外部應用級操作。SPI接口支持Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY串行接口。Open Alliance SPI是一種新型高效SPI協議，專為MAC-PHY而設計。
何時使用10BASE-T1L MAC-PHY和10BASE-T1L PHY？
10BASE-T1L PHY和10BASE-T1L MAC-PHY在不同的用例中各有明顯優勢。在功率關鍵型應用中，10BASE-T1L MAC-PHY在主處理器的選擇上提供了更大的靈活性，可以采用未集成MAC的超低功耗處理器來實現更低的系統功耗。在對現有設備進行升級以提高以太網連接性時，10BASE-T1L MAC-PHY提供了通過SPI端口重新利用現有處理器和提高以太網連接性的方法，無需遷移到集成MAC的更大處理器。
對于現場或邊緣設備需要高性能處理器（可能已集成MAC）的高性能應用來說，10BASE-T1L PHY結合MII、RMII和RGMII接口支持快速開發10BASE-T1L PHY。通過重新利用現有MAC接口驅動程序來添加以太網連接性便可實現（見圖2）。
圖2.實現10BASE-T1L連接的MAC-PHY與PHY優勢對比
提高了未來以太網互聯流程安裝的靈活性
滿足未來的以太網互聯制造安裝要求。超低功耗設備和高性能設備可以同時部署在同一個以太網上，且符合危險區域用例要求的嚴格最大功率限制。10BASE-T1L功率開關和10BASE-T1L現場開關需要將魯棒低功耗10BASE-T1L PHY與工業以太網開關結合，以部署干線和和支線網絡拓撲，進而在單條雙絞線上同時提供功率和數據（包括危險區域用例）。
現場設備連接既需要10BASE-T1L PHY，又需要10BASE-T1L MAC-PHY，以便實現以太網與各種現場設備的連接。包括流量計在內的較高功率現場設備采用集成MAC和10BASE-T1L PHY的高性能處理器。較低功耗現場設備，包括內置未集成MAC的超低功耗處理器的溫度傳感器，采用10BASE-T1L MAC-PHY，通過SPI接口與處理器相連，從而實現以太網連接（見圖3）。
10BASE-T1L PHY和10BASE-T1L MAC-PHY的關鍵特性對比
ADIN1110（ADI公司的10BASET1L PHY）可通過SPI接口與主機處理器連接，從而實現功耗更低的以太網連接，其功耗僅為42 mW。ADIN1110支持Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY串行接口，以25 MHz時鐘速度實現全雙工SPI通信。ADIN1100（ADI公司的10BASE-T1L PHY）可通過MII、RMII或RGMII MAC接口與主機處理器連接，從而實現低功耗的以太網連接，其功耗僅為39 mW。ADIN1100 10BASE-T1L PHY與ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY的對比如圖1所示。這兩款產品以全雙工、直流平衡、點對點通信方案的10BASE-T1L核心功能為基礎，在7.5 MBd符號速率和4B3T編碼下采用PAM 3調制。10BASE-T1L支持兩種幅度模式：長達1 km電纜的2.4 V峰峰值和更短距離下的1.0 V峰峰值。1.0 V峰峰值幅度模式是指，這項新的物理層技術也可在防爆系統環境中使用，并符合嚴格的最大能源限制。
表1.ADIN1100 PHY與ADIN1110 MAC-PHY對比
Part
器件
|
ADIN1100
ADIN1100
|
ADIN1110
ADIN1110
|
10BASE-T1L PHY
10BASE-T1L PHY
|
10BASE-T1L MAC-PHY
10BASE-T1L MAC-PHY
|
|
Interface
接口
|
MII, RMII, RGMII
MII、RMII和RGMII
|
SPI
SPI
|
Integrated MAC
內置MAC
|
No
否
|
Yes
是
|
Supports Intrinsic Safe
支持本質安全應用
|
Yes
是
|
Yes
是
|
Power Consumption
功耗
|
39 mW
39 mW
|
42 mW
42 mW
|
Auto-Negotiation Capability
自動協商能力
|
Yes
是
|
Yes
是
|
On-Chip FIFO
片內FIFO
|
No
否
|
20 kB receive/
|
MAC Filter (16 Entries)
MAC過濾器（16個入口）
|
No
否
|
Yes
是
|
Prioritizing of Traffic
流量優先級
|
No
否
|
Yes
是
|
IEEE 1588 Timestamp Support
支持IEEE 1588時間戳
|
No
否
|
Yes
是
|
Temperature Range
溫度范圍
|
–40°C to +105°C
−40°C至+105°C
|
–40°C to +105°C
−40°C至+105°C
|
Package
封裝
|
40-lead LFCSP
40引腳LFCSP封裝
|
40-lead LFCSP
40引腳LFCSP封裝
|
圖3.用于流程自動化的采用10BASE-T1L MAC-PHY和10BASE-T1L PHY的干線和支線網絡拓撲
小結
10 Mb以太網物理層(10BASE-T1L)在長達1 km的單條雙絞線上融合功率輸出(Engineered Power/PoDL/SPoE)，形成能夠產生更有價值信息的新型以太網連接設備，而這些信息通過融合IT/OT以太網更容易獲取。在流程自動化和工廠自動化的應用中，這些新的信息有助于提高生產效率、降低能耗。在樓宇自動化應用中，這些新的信息有助于提高能效、安全性和舒適性。因此，10BASE-T1L MAC-PHY將加速實現更低功耗的設備。
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關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2023財年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn
關于作者
Maurice O’Brien是ADI公司工業自動化部的戰略營銷經理。他負責交付以工業自動化為重點的系統級解決方案。在此之前，Maurice在ADI公司的工業以太網領域工作了3年，在電源管理應用和營銷領域工作了15年。他擁有愛爾蘭利默里克大學的電子工程學士學位。聯系方式：maurice.obrien@analog.com。
Volker E. Goller是ADI公司的一名系統應用工程師。他擁有30多年的豐富經驗，廣泛涉獵復雜運動控制、嵌入式傳感器和時間敏感網絡技術等工業應用。作為一名商用軟件開發人員，Volker為無線和有線應用開發了各種通信協議和堆棧，同時積極參與了領先行業組織的新通信標準制定。聯系方式：volker.goller@analog.com。
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