電子發燒友網報道(文/李寧遠)大規模的數據計算和可靠穩定的通信互聯是工業自動化的命脈，考慮到工業設備里數量龐大的傳感器和執行器，在工業現實場景里各種系統、協議也是種類繁多，一系列的傳統網關多到數不勝數用以傳輸轉換整個流程的數據。在自動化邊緣終端，只有解決互聯性的問題，才能確保無縫的數據信息銜接。

以太網在工業自動化網絡中已經常見了，越來越多的工業系統采用這種連接來進行數據集成、同步、互聯。而且其可拓展性和高帶寬也很契合工業通信應用。這么看來似乎工業場景里互聯問題已經迎刃而解了，并沒有太多挑戰。實際上，在以太網應用和部署上并沒有想象中一帆風順。

挑戰在哪里?

我們以最常見也極其重要的多軸同步精密運控為例，這是工業場景整個自動化環節里舉足輕重的應用。在工業場景不斷地革新之下，伺服電機驅動器需要更快的響應時間和更高的驅動精度，并要求終端設備中使用的伺服電機軸更緊密地同步。

100Mb的以太網是其中應用最多的，上述要求的同步對于網絡來說，涉及主機和從機之間的數據通信同步，還涉及電機控制內PWM的同步，在每個周期網絡內可以將更多器件連接到網絡肯定是大家更希望看到的。如果是更高數據速率的千兆位以太網，能實現的連接則更多。想要同步，那么就和傳輸延遲脫不了干系，而且在部署的時候，任何以太網鋪設路徑周圍都存在來自電機和生產設備的高壓瞬變，進一步可能會損壞數據和設備。以太網物理層總體的延遲、功耗都是在以太網在應用和部署上不可避免的挑戰。

以太網物理層如何解決這些挑戰

功耗問題首當其沖

以太網物理層的功耗在什么時候都很重要，而且如果是千兆位的物理層設備，其功耗對系統的總功耗也有著重大影響，采用低功耗物理層設備能夠為系統中的FPGA/MCU/處理器預留提供更多的可用功耗。

很簡單的道理，對于功耗預算確定的設備，留給以太網物理層的功耗預算本來就不多，而且每個互聯設備都是需要兩個以太網物理層的，功耗不足夠低根本沒有辦法滿足整個設備的連接要求。即便是我們之前說過的備受青睞的單對以太網，其物理層也會盡可能降低功耗來為其他關鍵系統組件的系統功率預算留出更多的空間。有的廠商會選擇用雙電源操作來實現最低功耗。以TI單對以太網物理層收發器的功耗來看，1-V p2p模式38 mW的功耗、2.4V p2p模式82mW的功耗屬于符合IEEE 802.3cg 10Base-T1L規范的很低的功耗水準了。一般來說單對以太網這個規范下的功耗普遍只要求低于110mW。

低功耗的另一個意義在于更好地支持以太網高級物理層規范中定義的內在安全實現，滿足外部終端的標準。

延遲與同步

多軸同步控制肯定是和延遲密切相關的，這些延遲主要體現在PHY上。更低的延遲意味著大幅減少網絡周期時間，意味著單個周期內能將更多器件連接到網絡中。在帶寬滿足數據吞吐量的前提下，降低帶寬是完成同步最有效的辦法。

低延遲的物理層器件往往集成相關的管理接口，其中MII管理接口最好能在主機處理器和PHY器件之間提供雙線式串行接口，便于訪問PHY內核中的控制和狀態信息。我們來看一下延遲，以ADI在多軸上應用很出名的PHY ADIN1X00為例，100Mb下，延遲發射< 68 ns，接收< 226 ns，具體的延遲會根據協議不同略有差異，但這個標準的延遲是多軸控制系統能接受的低延遲了。

帶寬也會影響這個延遲，但選擇以太網PHY時會先確定帶寬范圍，不會一味拔高帶寬。一味拔高帶寬往往在延遲上得不償失。

小結

以太網物理層PHY可靠性的提高體現在EMC/ESD上，浪涌、EFT、ESD、射頻電磁場輻射抗擾度、射頻場感應的傳導抗擾度、電磁輻射騷擾、傳導輻射這些會大大降低可靠性風險。為了實現工業場景的無縫傳輸，在終端節點的數量正在加速增長的背景下，如何在以太網物理層PHY上解決功耗、延遲問題至關重要。

原文標題：工業以太網連接一帆風順?物理層還有諸多挑戰

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審核編輯：湯梓紅