10BASE-T1L MAC-PHY如何简化低功耗处理器以太网连接

作者：Maurice O'Brien and Volker Goller

介绍

本文介绍如何使用 10BASE-T1L MAC-PHY 连接到更多数量的低功耗现场或边缘设备。它还将详细介绍何时使用 MAC-PHY 与 10BASE-T1L PHY 以及这些系统如何满足未来以太网连接制造和建筑安装的要求。

背景

单对以太网 10BASE-T1L 用例（包括以太网 APL）在将更多设备连接到以太网网络的需求的推动下，继续在过程、工厂和楼宇自动化应用中扩展。随着更多设备的连接，更丰富的数据集可用于更高级别的管理系统，从而显着提高生产力，同时降低运营成本和能耗。以太网到现场或边缘的愿景是将所有传感器和执行器连接到融合的IT/OT网络。为了实现这一愿景，存在系统工程挑战，因为其中一些传感器在功率和空间方面受到限制。低功耗和超低功耗微控制器市场不断增长，这些微控制器具有重要的内部存储器功能，适用于传感器和执行器应用。但这些处理器中的大多数都有一个共同点 - 没有集成的以太网MAC，它们不支持MII，RMII或RGMII媒体独立（以太网）接口。传统的 PHY 无法连接到这些处理器。

为什么使用 10BASE-T1L MAC-PHY

为了能够与越来越多的低功耗设备建立长距离以太网连接，需要 10BASE-T1L MAC-PHY。使用 10BASE-T1L MAC-PHY，通过 SPI 向处理器提供以太网连接，无需集成 MAC，从而减轻处理器的负担。MAC 功能现在直接与 10BASE-T1L PHY 集成。10BASE-T1L MAC-PHY 支持各种超低功耗处理器，为设备架构师提供了更大的灵活性和选择。通过优化应用分区，10BASE-T1L MAC-PHY 通过过程工业中称为以太网 APL 的 0 区本质安全部署实现低功耗现场设备。在智能建筑应用中，MAC-PHY将使更多低功耗设备连接到以太网网络。智能建筑应用包括暖通空调系统、消防安全系统、访问控制、IP 摄像机、电梯系统和状态监控。

10BASE-T1L MAC-PHY 高级数据包过滤

MAC 功能与 10BASE-T1L PHY 的集成提供了优化网络上以太网流量的新功能。具有高级数据包过滤功能的 10BASE-T1L MAC-PHY 将显著减少处理广播和组播流量的开销，同时将处理器从此任务中解放出来。按目标 MAC 地址过滤是关键。MAC-PHY 可以支持使用多达 16 个单播或组播 MAC 地址进行过滤，而不仅仅是单个 MAC 地址。此外，两个 MAC 地址支持地址屏蔽。这提供了很大的自由度，过滤设备地址以及通常支持的组播地址，如LLDP（链路层发现协议）。通过支持更高优先级的额外队列，可以对某些消息进行优先级排序，从而获得改进的延迟和健壮性。帧的优先级可以通过 MAC 过滤表来标识。例如，可以将广播消息馈送到较低优先级的队列中，并将单播馈送到较高优先级的队列中，以防止接收器因广播风暴或流量激增而过载。这些 MAC-PHY 滤波功能可实现网络负载稳健的设备。MAC 还收集帧统计信息，以帮助监控网络流量和链路质量（请参阅图 1）。

图1.10BASE-T1L MAC-PHY 通过高级数据包过滤功能显著降低了设备的功耗和复杂性。

MAC-PHY 中的 MAC 还支持 IEEE 1588，因此支持 802.1AS 时间同步，这是过程自动化所需的。MAC-PHY 支持同步计数器、接收消息的时间戳和传输消息的时间戳捕获。这大大降低了软件设计的复杂性，因为除了MAC-PHY本身之外，不需要进一步的硬件支持来实现时间同步。MAC可以生成定时到同步计数器的输出波形，该波形可用于同步外部应用程序级操作。SPI 接口支持 Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY 串行接口。开放联盟 SPI 是一种非常有效的新型 SPI 协议，专为与 MAC-PHY 一起使用而设计。

何时使用 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显著的优势。对于功耗关键型应用，10BASE-T1L MAC-PHY 在主机处理器的选择上提供了更大的灵活性，包括没有集成 MAC 的超低功耗处理器，从而降低了系统功耗。升级现有设备以添加以太网连接时，10BASE-T1L MAC-PHY 提供了重用现有处理器并通过 SPI 端口添加以太网连接的途径，无需迁移到具有集成 MAC 的更大处理器。

对于现场或边缘设备需要可能已经具有集成 MAC 的高性能处理器的高性能应用，具有 MII、RMII 和 RGMII MAC 接口的 10BASE-T1L PHY 允许快速开发 10BASE-T1L PHY。这是通过重用现有的 MAC 接口驱动程序来添加以太网连接来完成的（请参阅图 2）。

图2.MAC-PHY 与 PHY 在 10BASE-T1L 连接方面的优势比较。

提高未来以太网连接过程安装的灵活性

随着 10BASE-T1L PHY（ADIN1100） 和 10BASE-T1L MAC-PHY （ADIN1110） 的推出，器件架构师现在可以提高灵活性，以满足未来以太网连接制造安装的要求。超低功耗设备和高性能设备可以部署在同一以太网网络上，并符合危险区域用例要求的严格最大功率限制。10BASE-T1L 电源开关和 10BASE-T1L 现场交换机需要坚固耐用的低功耗 10BASE-T1L PHY 与工业以太网交换机配合使用，以部署中继和杂散网络拓扑，通过单根双绞线电缆（包括危险区域用例）提供电源和数据。

现场设备连接需要 10BASE-T1L PHY 和 10BASE-T1L MAC-PHY，以实现与各种现场设备的以太网连接。更高功率的现场设备，包括流量计，将使用高性能处理器，集成MAC和10BASE-T1L PHY。低功耗现场设备，包括具有未集成MAC的超低功耗处理器的温度传感器，将使用10BASE-T1L MAC-PHY通过SPI接口与处理器进行以太网连接（参见图3）。

图3.用于过程自动化的中继和支散网络拓扑，采用 10BASE-T1L MAC-PHY 和 10BASE-T1L PHY。

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

ADI公司的10BASE-T1L MAC-PHYADIN1110通过SPI接口实现低功耗以太网连接到主机处理器，功耗仅为42 mW。ADIN1110支持开放联盟10BASE-T1x MAC-PHY串行接口，用于时钟速度为25 MHz的全双工SPI通信。ADIN1100是ADI公司的10BASE-T1L PHY，可通过MII、RMII和RGMII MAC接口实现低功耗以太网连接，以低功耗仅为39 mW的主机处理器，请参见表1，了解ADIN1100 10BASE-T1L PHY和ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY的比较。这两款产品均基于 10BASE-T1L 内核功能，采用全双工、直流平衡、点对点通信方案，采用 PAM 3 调制，符号速率为 7.5 MBd，采用 4B3T 编码。10BASE-T1L 支持两种幅度模式：2.4 V 峰峰值（长达 1000 m 的电缆）和 1.0 V 峰峰值（缩短距离）。1.0 V峰峰值幅度模式意味着这种新的物理层技术也可用于防爆（防爆）系统的环境，并满足严格的最大能量限制。

总结

10 Mb以太网物理层（10BASE-T1L）与两根长达1公里的电线上的电力传输（工程电源/ PoDL / SPoE）相结合，将使新型以太网连接设备能够产生更高价值的见解，现在可以通过转换后的IT/OT以太网网络更轻松地访问这些见解。这些新见解将提高生产率并降低过程和工厂自动化应用中的能耗。在楼宇自动化应用中，这些新的见解将实现更高水平的能源效率、安全性和舒适性。因此，10BASE-T1L MAC-PHY将加速低功耗器件的可用性。

审核编辑：郭婷