單對以太網的進一步拓展——以太網高級物理層

電子發燒友網報道（文/李寧遠）以太網已經在很多應用中發揮出了不可替代的作用，不過想必大家都會在以太網在實際使用中經常遇到不少挑戰，有可能是功率的挑戰、帶寬的挑戰、也有可能是布線的挑戰、通信距離的挑戰，還有可能是危險工況的挑戰等等。

從單對以太網到高級物理層

隨著工業領域各種傳感和控制功能的更新迭代，對連接的要求是越來越高，挑戰越來越大。傳統的一個以太網連接可能需要多條用于快速100 Mbps以太網的導線，即便如此可能也不能保證各種數據能夠進行即時的交換。單對以太網解決了此類挑戰，并迅速在工業自動化應用上發揮出它經濟高效的優勢。單對以太網作為一種能夠在短距離內只需一對絞銅線即能以高達1Gb/s速度連接的技術，它能同時進行雙向通信，并借助PoDL實現數據與電力的傳輸。

基于單對以太網的增強物理層，Ethernet-APL（advanced physical layer），是一種新興的以太網高級物理層。以太網高級物理層根據10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太網物理層標準，直接將單對以太網100m的限制拉長到1000m，通信速度最高可以達到10 MBit/s?？梢园岩蕴W高級物理層Ethernet-APL看作單對以太網的進一步拓展，支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高級別的協議，進一步解決以太網在實際使用中遇到的挑戰。

高速率之外，高級物理層還有哪些優勢

概括來看，以太網高級物理層增加了標準以太網的通用性和通信速度。通信速度上增強很明顯，而通用性不僅僅是說以太網高級物理層支持任何基于以太網的自動化協議，而且還解決工廠場景中惡劣的環境條件所造成的具體需求。

以太網高級物理層兩種幅度模式，一種是1000m線纜的2.4V峰值，一種是縮短距離的1.0V峰值。1.0峰值模式下，以太網高級物理層滿足嚴格的最大能量限制，符合Zone 0本質安全應用需求，可以在極端惡劣的環境下穩定工作。這一通用性是很難做到的。

和其他通信標準對比，帶寬上10BASE-T1L的優勢已經很明顯了，功率上Ethernet-APL也大大解放了4 mA至20 mA的功率限制。Ethernet-APL在Zone 0應用中可以提供高達500 mW的功率（最高60W），其他標準很難抗衡。

從整個通信系統的完整性，互通性來看，以太網通過在高級物理層上的融合，可以取代掉昂貴、復雜且耗電的網關，原本分散的基礎設施，分散的信息孤島，分散的數據訪問在此契機下被全部整合在一起，對于工業通信來說這是很高效益的選擇。

實現以太網高級物理層的器件

要與支持 Ethernet-APL 的設備通信，需要具有集成介質訪問控制MAC的主機處理器或具有 10BASE-T1L端口的以太網交換機。這就少不了適用于單對以太網的PHY和MAC-PHY的身影。一般這種PHY都會集成MAC接口，可通過串行外設接口SPI與各種主機控制器直接連接。

如上圖器件，PHY集成所有相關的模擬電路、輸入和輸出時鐘緩沖、管理接口控制寄存器和子系統寄存器以及MAC接口和控制邏輯，用以支持Ethernet-APL過程自動化帶來長距離、穩健的10BASE-T1L以太網連接。

換另一個器件的角度來看，以太網連接器也是影響高級物理層最終傳輸效果的很重要的一類器件。以太網高級物理層組織定義的連接器標準是允許線纜接線到螺旋式或彈簧夾端子，從而通過密封套連接電纜進入的。
在這類連接器上，目前常見的有螺紋型、推拉自鎖型和快速推鎖型。以太網高級物理層是數據與電源混合傳輸的，因此必須要做到金屬屏蔽分離，以避免功率信號與數據信號的干擾。

小結

借助以太網高級物理層，下游應用可以在集成了Ethernet-APL的設備上自由實施多種協議，從現場級到云端充分展現高通信速率以及對各種復雜環境的通用性的優勢，借助各類可以實現Ethernet-APL的器件，以太網高級物理層技術會在工業領域會帶來很多技術風向上的改變。