10BASE-T1S引领单对线缆进入全新以太网时代

10BASE-T1S技术是一种新型10 Mbps单对以太网物理层网络技术，符合IEEE 802.3cg规范，专为汽车和工业应用而设计。通过这一技术，我们能够在单根双绞线上实现高达10 Mbps的数据速率传输，覆盖长达25米的网络范围。更为引人注目的是，10BASE-T1S无需交换机即可管理数据流，使其以比传统以太网更低的成本适用于工业网络。

在工业领域，数字数据长期以来一直扮演着监视和控制生产设施的关键角色。随着网络技术的不断发展，工厂、数据中心和商业建筑中的网络边界逐渐扩展至物理世界。传感器将各种物理量如温度、压力等转换为数字信息，系统则利用这些信息来控制阀门、风扇、电源、指示器等的物理动作。

然而，在自动化系统的早期阶段，通信主要依赖于专用总线进行，需要网关来实现不同硬件系统之间的协议转换。尽管以太网后来连接了许多此类系统，但通常需要交换机来管理数据传输并消除数据冲突，从而增加了成本。以太网的实用性源于其在不同硬件物理层上使用相同的软件堆栈和帧格式。

对于过程控制设备而言，它们通常只需要传输少量数据，且要求电缆简单且易于安装。10BASE-T1S技术恰恰满足了这些应用需求，将以太网引入到了更简单的设备中。随着时间的推移，工业系统逐渐从专有通信总线转向以太网等标准化总线。

10BASE-T1S技术基于以太网成为IEEE标准时首次使用的简单机制，但能够更有效地利用所有可用带宽。尽管规范要求传输距离至少为25米，但实际实施中远远超出了这一标准。例如，Microchip展示了通过100米电缆连接的50个节点。

最初，以太网使用一根同轴电缆将多个设备直接连接在一起。后来为了消除原始方案中的多点传播缺点而开发了交换机。然而，交换机带来了复杂性和成本问题，并要求设备和交换机之间建立单点对点连接。

在以太网通信过程中，设备首先感知它们所连接的线路，然后尝试传输数据。如果只有一个设备开始传输，则可以顺利发送整个数据包。但是，如果多个设备同时尝试传输数据，就会发生冲突。这种情况下，所有设备都会检测到冲突并关闭传输，然后在随机时间后重试。这种技术被称为带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）。然而，随着越来越多的设备连接到单一骨干网络上，冲突发生的频率也会增加，导致大量时间浪费在后退和重试上，进而限制了链路的有效带宽。

为了解决这个问题，10BASE-T1S以太网引入了物理层冲突避免（PLCA）仲裁机制。PLCA专为半双工、多点网络设计，如10BASE-T1S网络，有效消除了多点混合段中的CSMA/CD问题。在PLCA中，传输周期以协调器节点（节点0）发送的信标开始，网络节点使用该信标进行同步。信标发送后，传输机会依次传递给其他节点。如果某个节点没有数据要发送，则会将机会让给下一个节点，依此类推。这样确保了每个节点都有机会进行传输。当所有节点都获得传输机会后，协调器节点会发起一个新的周期并发送另一个信标。

为了防止节点长时间占用总线而导致其他节点无法传输数据，如果某个节点的传输时间超过了分配给它的时间限制，jabber功能会中断该节点的传输并允许下一个节点进行传输。这种机制确保了数据吞吐量不受影响且总线上不会发生数据冲突。相比之下，CSMA/CD可能会因数据冲突而导致随机延迟。PLCA则提供了有保证的最大延迟时间以及其他克服限制的特性。

在安全性方面，从传输线路中恢复的数据以标准以太网数据包格式提供给更高层软件处理。该格式包括目标地址、源地址、管理位和有效负载等信息，并且不会随物理层变化而改变。这意味着即使网络速度发生变化或越来越多数据被聚合以供计算机系统处理时，软件层也能保持稳定不变。此外，以太网机制使得传感器和其他设备能够连接到网络上进行数据分析和执行物理动作。与在网络端点使用各种现场总线和协议相比，这种方法更加简单且易于理解。同时，以太网协议还提供了防止数据入侵、窥探等安全问题的功能以及确保使用数据的物理系统不受干扰的能力。因此，在安全性要求极高的应用中（如银行业），以太网因其出色的网络弹性而得到广泛应用。其他专用通信技术可能很少或根本没有网络安全功能；即使存在也需要进行开发、维护和后勤保障工作；这些工作可能比硬件产品设计和制造过程更加复杂；同时还需要建立受控访问设施并确保供应链中信任链不被破坏。

最后，在功能安全方面，使用以太网等标准化技术可以简化功能安全系统开发工作。功能安全意味着当系统某些部分发生故障时，系统能够做出可预测反应以避免引发更严重问题。不同行业有不同标准要求（如汽车行业ISO26262和工业应用IEC61508等），但都遵循相似原则：在完整系统中确保组件具备功能安全准备以验证整个系统安全性。例如，在半导体元件中需要编写功能安全手册来分析和诊断故障模式影响（称为FMEDA方法），这是一种确定故障原因及其对系统影响程度的方法，并在系统开发早期阶段应用以检测和纠正任何潜在弱点。

综上所述，10BASE-T1S以太网技术通过更简单组件、软件设计和布线方式降低了成本；消除了昂贵网关需求；减少了交换机端口使用量；并通过统一接口和完善安全机制降低了风险；同时补充了IIoT网络边缘传统安装方式；实现了所有网络级别统一设计、软件开发以及测试和维护工作；具有增强安全性且更简洁架构能够降低设计人员风险并实现功能安全系统。