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    行業工程洞察:以太網在IT領域之外的發展

    2022-08-01
    作者:Mark Patrick
    來源:貿澤電子
    關鍵詞: 貿澤電子 以太網

    自 1970 年代中期成立以來,以太網技術在業內的采用不斷發展。 傳統上,以太網的使用僅限于數據中心,并長期服務于各家公司的臺式 PC 基礎設施。 如今,五十多年過去后,以太網現在已經是我們家庭、零售店、工業廠房、辦公室、電信基礎設施甚至汽車中占主導地位的有線網絡技術。

    本文將回顧以太網技術從新興的 IT 計算機網絡時代一直到如今的興起過程,探討它在運營技術 (OT) 和汽車應用方面的進展,并深入研究SPE、TSN over SPE、IOLINK over SPE、PoE和PoDL等一些最新的動向。


    以太網:堅實的基礎和標準化之旅

    若想精確界定計算機網絡何時開始并不容易,然而,在上世紀60 年代的微型計算機時代(mainframe era),通過在電話線上使用越來越可靠的脈沖編碼調制 (PCM) 能夠支持更多的遠程訪問服務。 1969 年,阿帕網項目(ARPANET project)將四臺美國大學計算機連接在一起。隨著 70 年代小型機時代的到來, DEC 和 Data General 等公司也隨之誕生。然而,隨著這個新興的個人電腦市場興起,也形成了激烈的競爭。

    以太網的概念最初是在 70 年代中期來自于 Xerox PARC,其名稱由博士生羅伯特·梅特卡夫(Robert Metcalfe)提出,并由施樂公司注冊商標。那個時代見證了許多不同的網絡拓撲和協議,它們都在努力爭奪市場占有率和商業成功。 Xerox 在 PARC 部署了以太網,并于 1980 年向市場推出了 10 Mbit/s 協議。以太網是眾多網絡協議之一,后來3COM 的創建者Metcalfe 設法說服 DEC、英特爾和施樂在以太網技術上共同協作來制定標準,這一舉措極大地促進了以太網的早期成功,并且 3COM 為 IBM PC 推出的以太網卡確保了該協議的未來成功。

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    圖 1:以太網速度的快速提高。(來源:以太網聯盟)


    1985 年,IEEE 將以太網標準確定為 802.3,這項技術隨著帶寬提高和物理介質的改進而繼續發展。最初,以太網在總線拓撲中使用同軸電纜,但使用交換機和非屏蔽雙絞線電纜的星形連接方法很快變得流行起來。以太網帶寬可提供高達 400 Gbits/s,參見圖 1。

    大多數以太網應用憑借四根 UTP 電纜實現 100Mbits/s 和 1Gbits/s速率,通過 RJ45 插頭和插座進行互連。

    以太網的廣泛采納、巨大彈性和靈活性也在驅動這一技術在傳統信息技術領域之外進一步采用。圖 2 僅說明了以太網廣泛應用的一部分。

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    圖 2 :以太網的世界不再僅限于 IT 應用。(來源:以太網聯盟)


    用于運營技術的以太網

    隨著工業 4.0 等行業效能改進計劃的興起,用以太網技術支持生產資產的連接需求只是時間問題。然而,工業領域不同于辦公室、數據中心或家庭環境,其部署可能會遇到嚴苛的環境條件、振動、流體和電噪聲等。工業領域可用空間也很緊張,控制柜和電纜導管空間非常寶貴。因此,限制因素是流行的四對 UTP 對電纜的直徑、重量和彎曲半徑。工業技術部署的另一個方面是如何為此類設備供電,以太網可以使用四根 UTP 電纜提供電源 (PoE),但需要一種全新的方法。

    2019 年,千兆單對以太網 (SPE) 標準被確定為 IEEE 802.3bp 1000BASE-T1。使用單根非屏蔽雙絞線,支持 15 米的鏈路長度。改為屏蔽雙絞線可提供更好的 EMI 保護,同時可將最大允許鏈路長度增加到 40 米。 SPE 電纜直徑明顯更小,比默認的四對 6 類以太網電纜重量輕約 60%,為工業應用提供了完美的解決方案。

    隨著網絡協議和電纜限制問題的解決,我們把焦點轉向連接器布置。 RJ45 完全不適合工業應用,如果沒有任何可靠的密封方法,濕氣、灰塵和其他污染物很容易破壞網絡連接的電氣特性。 2020 年 3 月推出的 SPE 連接器標準 IEC 63171 定義了一套規范,以促進不同工業連接器的使用,包括流行的圓形 M8 和 M12 格式。圖 3 所示為一些適用于屏蔽和非屏蔽電纜的 SPE 連接器類型。

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    圖 3:符合 IEC 63171-1 到 IEC 63171-6 的 SPE 連接器選擇類型。(來源:單對以太網系統聯盟)


    IEEE 802.3bu 和 802.3cg 中定義了對以太網供電的支持,被稱為數據線供電 (PoDL),可提供 15 種不同的電壓、電流和電纜直徑組合,能夠為終端設備提供最大 52 瓦的功率。圖 4 突出顯示了 PoDL 的范圍。

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    圖 4 :數據線供電 (PoDL) IEEE 802.bu 和 IEEE 802.cg 分類。(來源:單對以太網工業合作伙伴網絡)


    SPE 標準未來將會繼續發展以支持更廣泛的應用,包括允許傳輸傳統工業協議(如Fieldbus),也可引入時間敏感網絡 (TSN)。 TSN 為以太網增加了確定性的實時功能,這是許多工業自動化應用現在所需的特性。


    用于車載網絡的以太網技術

    另一個與工業應用有類似限制的市場是汽車。盡管兩種應用非常不同,但我們的車輛面臨不斷增加的壓力,需要部署更多電子技術,包括更大的電纜重量和對更高數據帶寬不斷增長的需求。更復雜的信息娛樂系統、半自動和全自動駕駛、高級駕駛員輔助系統 (ADAS) 等都是新技術的應用案例。在過去十年中,隨著領先的汽車制造商轉向開發電動汽車,汽車的重量更成為一個重要問題。

    車體重量能夠影響續航里程和有效載荷能力,因此需要采取許多措施來減輕重量。其中一種方法是使用區域架構(zonal architecture)連接車輛中的許多系統。例如,我們可以考慮駕駛員車門內的功能,車輛后視鏡含有控制裝置,一些還包含盲點檢測系統后視鏡、車窗執行器和控制裝置、信息娛樂系統揚聲器、防碰撞傳感器以及車門打開和鎖定裝置等。從歷史上看,這些執行器、傳感器和控制裝置的接線被布置到發動機艙或機艙內的電子控制單元 (ECU)。區域架構是把這些系統組合在一起,將單個 ECU 放置在門內,只需要電源和網絡連接。這種方法可以顯著降低相關電纜線束的復雜性和重量。

    如圖 2 所示,汽車以太網市場正在成為一個重要的成功案例。單對以太網具有支持實施車載網絡 (IVN) 區域架構的所有特性,從而減輕所有設備連接的重量和成本。

    OPEN 聯盟(OPEN Alliance)是一個由領先汽車制造商和供應商組成的機構,它提倡使用 1000Base-T1 標準的單(單對)雙絞線以太網。圖 5 突出顯示了這種技術可用于連接現代車輛中的關鍵功能系統。

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    圖 5:單對以太網可提供一種連接多個車載系統的輕量級、快速和直接的方法。(來源:OPEN Alliance)


    用于零售和樓宇自動化的以太網

    受益于以太網功能的另外兩個市場是零售和樓宇自動化。以太網的性能和高彈性使其成為連接銷售點(PoS)終端、房間占用傳感器和照明控制單元的理想選擇。實際中,并非每種應用都需要以太網的高帶寬能力,但是,許多應用都會使用以太網供電 (PoE)功能。為 PoS 終端或以人為中心的照明控制器提供直流電源,并使用標準的四路 UTP 單以太網電纜將其連接到網絡,具有極大的靈活性和便利性。其他應用案例包括連接閉路電視攝像機、信用卡終端和 HVAC 控制等,還可以為它們供電。

    電力一般通過支持 PoE 的網絡交換機或通過專用 PoE 注入器進入以太網對。所有向網絡供電的設備都稱為電源設備 (PSE),用于向受電設備 (PD) 供電,這些受電設備也稱為端點。安全攝像頭或現金終端等許多受電設備都是專門為支持PoE 而設計,它們包含一個電路,用于從數據中分離 DC 電源。傳統設備可能需要外部 PoE 分離器。

    第一個 PoE 標準 802.3af 于 2003 年發布,能夠在受電設備端提供最大12.95 瓦的功率。該方法使用 Cat5e 電纜四對雙絞線中的兩對來進行電力輸送。

    為了能夠按照類型和等級定義來確定供電能力,PoE也在迅速發展。最新的 PoE 標準是 802.3bt(參見圖 6),它使用所有四對 Cat6A 以太網電纜。每種類型都定義了一組輸入電壓和電流限制,以實現所需的功率。

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    圖 6:以太網供電的演變展示了最大負載功率傳輸能力,(來源:貿澤電子


    IEEE 802.3bt 規定每個 PSE 以太網端口的輸入功率限制為 100W,這樣可以為PD提供最大71W的功率,超過 LED 燈具照明所需的供電能力。


    以太網將繼續提供強大而有彈性的網絡

    在過去的四十多年里,以太網從不起眼的開始發展成為一種主導的網絡協議。但它如今并沒有停止的跡象,其發展動向包括具有更高的帶寬和使用光纖作為替代媒介。 對于電子工程師而言,以太網的持續采用提供了許多新機會,可以將連接性和供電的便利性融入新設計。 例如,是否可以使用以太網為新的工業產品設計供電,從而無需電池或線路電源? 在某些家庭環境中,Wi-Fi 信號強度變化很大,所以也許使用有線以太網連接到路由器會使具體應用運行更可靠、更安全?

    一旦您決定采用以太網技術,看似注定都將喜迎一個激動人心的未來。


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