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Microchip Technology Inc.

高级经理

Henry Muyshondt

对于低数据速率设备，工业设施和汽车制造商需要一种经济高效的连接解决方案，而10BASE-T1S和10BASE-T1L可提供低成本且简单的解决方案。

您将了解到：

• 该标准如何将以太网引入到网络的最边缘

• 它为什么完全符合分区架构的趋势

• 它将如何降低布线复杂性并实现车辆工厂自动化

世界上充斥着大量数据通信协议，其中大多数都是为了提供尽可能高的数据速率而设计的。但是，绝大多数设备（例如，开关和执行器）都很简单，不会产生海量数据，因此不需要高速通信。世界上有数十亿这样的设备，并且其数量还在呈指数级增长。一段时间以来，人们需要的是一种简单、低成本的数据通信解决方案，同时它还要能够为工业、汽车和其他市场中的所有此类设备提供服务。该解决方案已于2019年底以IEEE^® 802.3cg标准的形式推出。我们将会看到，它具有巨大的潜力，因为它可将低成本的单对以太网布线引入到网络边缘。

这项标准由IEEE任务组发起，当时他们正在研究如何提供一种可以覆盖远距离的低速技术，并且这种技术可以通过单平衡对以太网电缆实现10 Mbps的数据速率。他们还希望在较短距离上实现多点通信功能。尽管10 Mbps听起来不算多快，但对于控制开关、继电器、执行器或机械臂以及许多其他设备而言已经足够，并且在当时，“工业以太网”还无法以聚合的方式提供这些功能。

任务组中的汽车制造商要求提供一种覆盖更短距离的解决方案，这种解决方案需要具备相同的基本功能和多点通信功能，其中每个节点连接到一根电缆，因而无需使用开关，并且需要更少的线路、开关端口和收发器。这种解决方案将使用以太网实现从最低到最高的所有速度。最终，大多数人都如愿以偿，结果是以太网10BASE-T1S可覆盖至少25 m的距离，10BASE-T1L可覆盖高达1 km的距离。而100BASE-T1和1000BASE-T1也被纳入单对以太网（SPE）的范畴。传输介质的范围涵盖一根双绞线到PC板或服务器背板上的其他线对配置和并行走线。与其他替代方案相比，所有这些都更易于安装、更轻便、更灵活且成本更低（见表1）。

表1. 连接标准对比

基础知识

除了最大传输距离之外，10BASE-T1S和10BASE-T1L之间还有两个主要区别。首先，只有10BASE-T1S提供多点通信和点对点连接能力。其次，只有10BASE-T1S采用了物理层防冲突（PLCA），这是在汽车、工业和楼宇自动化等需要固定性能的实时应用中使用时的关键要素。PLCA专门设计用于10BASEase-T1S等半双工、多点通信网络，并且避免了多点通信混合段中发生载波侦听多路访问与冲突检测（CSMA/CD）问题。

CSMA/CD可能会表现出由数据冲突引起的随机延时。PLCA能够提供克服这些限制的保证最大延时和其他特性。PLCA部署到位后，传输周期从协调器节点（节点0）发送的信标开始，网络节点使用该信标进行同步。

在发送信标后，传输机会将传递给节点1。如果该节点没有要发送的数据，则将传输机会让给节点2，依此类推，这一过程持续进行，直到为每个节点提供至少一次传输机会。然后，协调器节点会发起一个新周期，并发送另一个信标。为了防止节点阻塞总线，jabber功能会在节点传输超过分配的时间时将其中断，从而允许传输下一个节点。结果是对数据吞吐量没有影响，总线上也没有发生数据冲突。

图1. 物理层防冲突（PLCA）

两种解决方案都有可观的好处，最重要的是以太网在全球范围内广泛用于信息技术（IT）和操作技术（OT）领域，同时受到数百家公司的充分认可和支持。这种解决方案的成本相对较低且在不断降低，自其推出以来，还通过每次迭代来保持其核心结构。这意味着在系统中使用以太网作为主要通信协议时，不需要协议转换和执行协议转换所需的网关。

从最简单的低数据速率交换机到高数据速率传感器（例如，能产生大量数据并需要Gbps速度的摄像头），任何类型的设备都可以在不进行转换的情况下得到支持。这些设备均可在以太网交换机中聚合，并用以太网的最高数据速率发送到云端进行处理和分析。

图2. 从边缘到云端的以太网

对汽车制造商的益处

如果汽车制造商不仅要支持CAN总线，还要支持多个应用特定的标准，则为大多数功能采用单一协议可带来极大的优势。每个车型年份都会对ADAS系统进行增强，通常需要新的摄像头、雷达、超声波传感器（未来还会有激光雷达），以及对信息娱乐和导航系统的改进。

这导致了在当今的车辆中，普遍具有40种不同的线束、80到100个电子控制单元（ECU）和300根电线（总长2.5英里，重达250磅）。由于各种应用所需的电缆类型多种多样，并且每种类型都有其自己的要求，因此也面临着电磁兼容性（EMC）的问题。

为了满足汽车将很快采用数亿行代码的要求（目前采用1亿行代码），汽车行业正在向基于以太网的分区电子/电气（E/E）架构过渡，这种架构将传感器聚合到从分区网关到主干的单链路中。

图3. 网络大趋势

它几乎完全基于以太网，其即插即用功能特别适合未来定义车辆的服务导向型环境。设备可以实时连接和断开，而不会停机，这是CAN总线的显著优势。也就是说，CAN总线多年来一直为汽车行业提供优质服务，并将继续为其最适合的应用提供服务，因此它可能会存在很多年。

行业解决方案

尽管汽车行业将从10BASE-T1S中获益最多，但出于以下几个原因，工业领域也可从10BASE-T1S和10BASE-T1L中获益匪浅。首先，工业设施使用许多不同的通信技术来互连设备，包括I²C到RS-485、UART和CAN等。它们连接从控制柜布线到温度传感器、HVAC执行器、电梯、风扇、电压监视器、直流到直流转换器和其他模块以及计算机背板等一切内容。其中许多设备仅需要低数据速率，而这些标准正是为它们而设计的。

虽然还没有成为主要的讨论话题，但它可以通过连接使用各种短程无线解决方案（例如ZigBee^®、蓝牙^®或Wi-Fi^®）的设备，在物联网中发挥关键作用。正如许多早期采用者所了解的那样，将无线应用于物联网听起来容易，但实现起来非常困难。这些解决方案显然将在工业物联网中发挥巨大作用，但考虑到以太网的优势，它们不一定是惟一的解决方案。

其次，10BASE-T1S的多点通信能力允许连接、删除或更换许多设备，而不会影响整体网络性能，并且整个过程非常简单。最后，几乎每个设施中都采用了以太网，因此可以通过单一标准实现从云端到边缘的移动。还有一点非常重要，即随着工业发展到第四代，分区方法也在该市场中得到应用，而以太网是首选解决方案。还有一些其他优势，但仅仅这些就足以让SPE极具吸引力。

首款收发器

实现10BASE-T1S需要为其提供支持的以太网收发器，而为10BASE-T1S提供服务的首款产品是Microchip的LAN867x系列以太网收发器。LAN8670/1/2允许创建多点通信和点对点网络拓扑。它支持至少15 m的点对点链路段，其多点通信模式支持至少八个连接到最长25 m公共混合段的收发器。请注意，这是IEEE规范中的“最小最大值”。当系统实现者验证正确的操作时，发现可以支持更多节点和更远距离。收发器由单个3.3 VDC电源供电，并具有集成的1.8 VDC稳压器，其温度范围为-40°C到+125°C，且符合工业EMC和EMI要求，适用于恶劣环境。

LAN8670/1/2支持通过标准MII/RMII接口与以太网MAC通信，集成的串行管理接口可在高达4 MHz的条件下提供快速寄存器访问和配置。对物理介质的访问由载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）或物理层防冲突（PLCA）进行管理，PLCA通过避免物理层冲突来实现高带宽利用率，并支持在突发模式下传输多个数据包，适用于高数据包速率、延时敏感型应用。

为了让设计人员更轻松地转移到10BASE-T1S，公司提供了适合许多Microchip MCU板的RMII和MII评估板，或者可以在用户创建的设计中使用这些评估板。另一个评估板可以插入USB主机，以成为10BASE-T1S节点，并且它随附适用于Linux和Windows的驱动程序。此外，Microchip的MPLAB^® Harmony开发框架还支持将10BASE-T1S技术与Microchip单片机和微处理器集成。

总结

IEEE 802.3cg SPE标准的发布恰逢工业4.0初具雏形之时。工业4.0和汽车行业正在竞相简化其臃肿的连接问题，同时每年也在增加更多传感器和其他可连接设备。10BASE-T1S和10BASE-T1L都为将以太网覆盖范围扩展到网络边缘铺平了道路，同时为使用简易双芯电缆且无需千兆速度的低数据速率设备提供支持。简而言之，它拥有显著改变这些设备在工业环境和各种车辆中的连接方式的潜力。

测井技术又被称为地球物理测井技术，是地质家和油气藏开发工程师在油气藏勘探开发中的“眼睛”。依靠测井技术所获得的资料是测井评价、地质研究和油气藏开发的科学依据。在此环境中使用电子设备所面对的最大挑战是极端温度。该环境下的工作温度与井深成函数关系，而全球地热梯度平均约为25°C/km，某些地区可能更高。

图1 高温高压的界定范围图例

在全世界范围内，高温高压油田区块越来越普遍，遍布五大洲四大洋。著名区块有泰国湾、墨西哥湾、欧洲北海等。在国内，新疆油田、吉林油田、川渝区块、东海平湖油田、南海莺歌海等都以高温高压井况闻名。

图2 高温高压油田区块分布

在过去几年中，全球范围内越来越多的高温高压（HPHT）油田区块被勘探开发。这些油田储层的温度压力梯度往往非常高，需要在接近极端温度的环境下作业，因此需要借助专门的高温电子解决方案来保证性能和可靠性。

对于这一问题，技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Nathan Xiao推荐ADI石油测井高温技术及方案。ADI通过自主研发已具备满足高温应用需求的能力，能提供专为极端温度设计的产品。该产品系列经认证，可在175°C至210°C高温环境下工作。

图3 简化测井仪器信号链

ADI支持高温产品的技术

强大的硅工艺

虽然标准硅工艺可以在125℃ 以上的航空级别温度要求下正常工作，但每上升10℃ ，标准硅工艺中的电流泄露就会增加一倍，许多精密应用无法承受这一情况。对比采用普通结隔离（JI）双极性工艺与 ADI自主研发的绝缘硅片（SOI）双极性工艺的典型NPN晶体管，图4中的黑色箭头指出了JI工艺器件内电流泄漏的路径，以及电流泄漏到衬底的寄生路径。随着温度的升高，电流泄漏的影响会呈指数增长，进而大大降低器件的性能。

SOI工艺使用SiO2绝缘电介质层来阻隔衬底中的寄生电流。通过消除这种寄生泄漏路径，即使在非常高的温度环境中，也能够使器件性能保持稳定。采用沟道隔离、SOI工艺和标准硅工艺中的其他变化都会大大降低泄露，使高性能工作温度远高于200℃。

图4 JI工艺与SOI工艺的结点泄露机制对比

创新封装

耐高温封装的一个主要失效机制是焊线与焊垫界面失效，尤其是金（Au）和铝（Al）混合时。一方面是边界接口的金属间化合物（IMC）生长，这会导致焊接易碎；另一方面是扩散（柯肯达尔效应），这会在接口处产生空洞，减小焊接强度并增加其电阻。

ADI的HT塑料封装多加了一道镍钯金金属化工序（以覆盖的形式显示），以得到金焊盘表面，然后与金线一起实现精致的金属焊接，从而避免形成金属间化合物。

图5 镍钯金金属化

图6显示了IMC的生长情况，在195℃高温条件下，经过500小时后会影响焊接的完整性，以及加装镍钯金隔离的金/金线焊在195℃高温条件下6000小时的情况。

图6 195℃下500小时后的金/铝线焊

图7 195℃下6000小时后加装镍钯金隔离的金/金线焊

可靠性认证

ADI的HT产品工序流程中包含针对高温应用需求定制的综合可靠性认证计划。所有HT产品均符合JEDEC JESD22‐A108规范的高温运行寿命（HTOL）测试。每款产品都至少有三个批次需要在高温度下进行至少1000小时的测试，确保符合数据手册技术规格。除了上述这类和其他认证测试之外，还需进行鲁棒性测试（如：闩锁免疫）、MIL-STD-883 D组机械测试以及ESD测试。

图8 1000小时以上高温测试

智能完井系统

使用寿命是电子元器件在高温下的重要参数，其中核心问题和障碍是在高温条件下电子元件的化学反应加速（材料老化）从而导致失效。瑞典科学家阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）总结出一个方程式，k=Ae^-Ea/RT，是化学反应速率常数随温度变化关系的定量表述，其中k为速率常数，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，Ea为表观活化能，A为指前因子（也称频率因子）。在温度增加10℃时，很多化学反应速率会翻倍。这个方程对于石油上游行业非常重要，它指出了井下仪器为代表的电子元器件失效机理。

图9 预测寿命与工作温度的关系

智能完井系统被称作井下永久监测控制系统，能够采集、传输和分析井下生产状态、油藏状态和整体完井管柱生产数据等资料，根据油井生产情况，以远程控制方式对油层进行监测控制。系统可提高产量、采收率，为实现信息化、智能化、自动化、数字油田奠定基础。一般情况下，智能完井系统需要在井下工作3年，长时间在高温环境中工作，选择器件的温度参数以及如何估算器件在特定温度下的使用寿命成为工程师选型考虑的一个难点。

ADI根据阿伦尼乌斯方程，并考虑假设可能存在的设计和制造故障机制来预测寿命，图10显示了AD8229数据手册中预测寿命与工作温度的关系。同时，ADI官方也提供晶圆数据，通过使用活化能为0.7 eV的阿伦尼乌斯方程，在HTOL加速测试条件下生成的数据转换为最终用户使用条件下的寿命，使用卡方统计分布分别计算了置信区间60%和90%的失效率数据。

图10 ADI器件寿命试验数据

ADI高温产品型号推荐

Nathan介绍了以下几种ADI高温特色产品型号。可满足不同客户的需求。

图11 ADI高温特色产品型号

ADI高温应用方案

适合高温环境的16位、600 kSPS低功耗数据采集系统CN0365

CN0365是ADI提供的一个175℃低功耗高温数据采集参考设计，旨在提供一个完整的数据采集电路构建块，可获取模拟传感器输入、对其进行调理，并将其特征化为SPI串行数据流。该设计功能非常丰富，可用作单通道应用，也可扩展为多通道同步采样应用。

图12 EVAL-CN0365-PMDZ 电路板照片

图13 耐高温数据采集系统

采用1 kHz输入信号和5V基准电压时，AD7981的额定SNR典型值为91dB；使用较低基准电压时，SNR 性能会有所下降。根据AD7981数据手册中的性能曲线，在室温和2.5V基准电压时，预期SNR约为86dB。当温度升高至175℃时，SNR性能仅降低至约84dB，THD仍然优于−100dB。

图14 SNR随温度的变化（1 kHz输入信号、580 kSPS）

图15 THD 随温度的变化（1 kHz 输入信号、 580 kSPS）

200°C高温数据采集和控制系统参考设计EV-HT-200CDAQ1

该参考设计是不断壮大的ADI高温应用产品和解决方案生态系统里的最新成员，基于AD7981模数SAR转换器，展现了一种全功能的系统，带2个高速同步采样通道和8个额外的多路复用通道，可满足广泛的井下工具的数据采集需求（共10个通道）。实际电路板尺寸约长11.4英寸、宽1.1英寸。

图16 EV-HT-200CDAQ1高温参考平台

图17 高温参考平台功能框图

采集后，数据处理可以在本地，也可通过UART或可选的RS-485通信接口传输出去。电路板上的其他配套组件（包括内存、时钟、电源和无源器件）均为各自供应商指定的、支持高工作温度的器件。经验证，这些组件能在200℃或以上的温度下可靠地工作。借助该平台，高温电子系统设计师可以在原型制作和评估中使用最先进的组件，从而缩短开发时间和上市时间。

ADI高温产品采用创新硅工艺、封装和测试技术进行设计，并且经认证，可在高温环境下工作。开发的产品在极其恶劣的高温环境下，也能够展现出高性能、高可靠性、小尺寸和低功耗等诸多优势。Excelpoint世健可以提供相关技术指导和支持，帮助客户提升产品开发效率。

关于世健——亚太区领先的元器件授权代理商

世健是完整解决方案的供应商，为亚洲电子厂商包括原设备生产商(OEM)、原设计生产商(ODM)和电子制造服务提供商(EMS)提供优质的元器件、工程设计及供应链管理服务。
        世健与供应商及电子厂商紧密协作，为新的科技与趋势作出定位，并帮助客户把这些最先进的科技揉合于他们的产品当中。集团分别在新加坡、中国及越南设有研发中心，专业的研发团队不断创造新的解决方案，帮助客户提高成本效益并缩短产品上市时间。世健研发的完整解决方案及参考设计可应用于工业、无线通信及消费电子等领域。世健是新加坡的主板上市公司，总部设于新加坡，拥有约650名员工，业务范围已扩展至亚太区40多个城市和地区，遍及新加坡、马来西亚、泰国、越南、中国、印度、印度尼西亚、菲律宾及澳大利亚等十多个国家。世健集团在2020年的年营业额超过11亿美元。1993年，世健在香港设立区域总部——世健系统（香港）有限公司，正式开始发展中国业务。目前，世健在中国拥有十多家分公司和办事处，遍及中国主要大中型城市。凭借专业的研发团队、顶尖的现场应用支持以及丰富的市场经验，世健在中国业内享有领先地位。

稿源：美通社

8项全能！浪潮信息边缘计算竞争力获GlobalData评级“Very Strong”

近日，国际咨询公司GlobalData发布《边缘计算基础设施：竞争格局评估（Edge Computing Infrastructure: Competitive Landscape Assessment）》，浪潮信息入围边缘计算市场第一梯队厂商，综合8大维度竞争能力，获得Very Strong评级。

报告从环境集成、设备连接、可扩展性、管理等8大维度对全球边缘计算市场厂商的竞争能力进行了分析评估，并评选出8家第一梯队厂商，浪潮信息是这些厂商中的全能型选手，在每个维度的评分均达到或超过第一梯队的平均值。

其中，环境集成（Environment Integration）决定厂商能否在复杂多变的环境中稳定的承载用户业务，厂商尤其要考虑一些物理环境如狭小的空间，以及极端的温湿度等气候环境等。浪潮信息在该维度获得Very Strong评级，主要归因于其在全球不同行业用户场景应用中积累的丰富实践经验。浪潮信息每一款服务器上市前都会通过浪潮澎湃实验室科学、全面和严苛的测试验证，包括气候环境、机械环境、结构散热等在内的2000余项常规测试项目以及30余项极限测试，为每一款服务器未来在用户应用环境中的稳定运行做出保障。比如浪潮边缘微服务器EIS200，专为远程和恶劣的操作环境而设计，能够在-40~70摄氏度的极端环境下正常运转，支持智慧水利、智慧矿井、智能制造等不同行业的边缘应用。

设备连接（Device Connectivity）对边缘计算的行业落地也非常重要，边缘基础设施需要能够支持制造、能源、交通等不同场景中的各种终端设备和传感器，并确保现场设备网络灵活连接，比如石油行业中，不同矿井会使用不同的通信模式，有无线、有线、ZigBee工业接口等等。仍以浪潮边缘微服务器EIS200为例，它可以支持不同的通信协议，包括4G、5G、Zigbee、Wi-Fi和LoRa。此外，浪潮InCloud Rail Edge HCI 解决方案支持跨行业的边缘用例，包括制造、运输、能源、石油和天然气以及采矿。

可扩展性（Scalability）方面，面对大多数情况下，边缘用户灵活多变的IT资源需求，需要为其提供快速且经济高效地可扩展方案。浪潮边缘微服务器EIS800基于开放的边缘计算模块化架构（ECOM）设计，将服务器核心计算平台、异构加速平台、IO模块、其他模块和管理功能进行解耦，从而实现模块化以获得更大的灵活性。目前浪潮信息联合百度、腾讯等公司将ECOM标准贡献给了开源组织，基于ECOM标准的EIS800也凭借简洁的工业设计、灵活的模块化设计和易用性荣获2022年德国红点设计大奖。

此外，GlobalData针对浪潮信息边缘基础设施在管理、开发者工具、网络集成、安全性、灵活消费5个维度的竞争能力也给出了很高的评价，指出浪潮信息自研的边缘计算管理平台“缘视”和“缘脑”，支持边缘设备通过灵活的网络进行统一管理和自动化运维，同时可以为开发者提供算法配置分发、摄像头管理等功能，在设备、网络、管理安全等方面也都有对应的解决方案。

随着人工智能、物联网、大数据、5G等技术的快速发展，边缘计算需求正爆发式增长。边缘计算厂商不仅要融合AI、工业物联网、5G等各类技术，还要应对用户场景千变万化的挑战。浪潮信息作为全球领先的算力基础设施提供商，拥有丰富的边缘计算产品组合，在环境集成、设备集成、可扩展性、管理等8大能力方面均表现优异，能够更好的面对当前边缘计算发展面临的挑战。未来，浪潮信息将持续产品创新，并与产业上下游的生态伙伴携手，推动边缘计算市场的发展和成熟。

稿源：美通社