1 工業以太網的發展
　　過去30多年來，在工業自動化領域，Fieldbus(現場總線)技術被廣泛用于連接各類現場設備，例如傳感器、執行器、可編程邏輯控制器(PLC)、電動控制器、其他I/O設備等。Fieldbus標準包括As-接口、CAN、DeviceNet、Foundation Fieldbus、Hart協議、工業以太網、Interbus、LonWorks、Modbus、Profibus等。Fieldbus是一個相當寬泛的術語，已逐步發展成為一種基于IEC61158的“寬松的標準體系”。IEC61158標準采納了多家廠商的特定解決方案，提出了8種數據鏈路" title="鏈路">鏈路層協議： (1)Foundation Fieldbus H1;(2)ControlNet;(3)Profibus;(4)P-Net;(5)Foundation Fieldbus HSE(高速以太網或100Mbit以太網);(6)Interbus;(7)SwiftNet(一種專為波音開發的協議，現已淘汰);(8)WorldFIP。
　　最近幾年來，工業自動化和控制客戶圍繞現有的Fieldbus網絡對以太網進行了改造。所有這些協議通常帶有一個地址頭，緊隨其后的是某些功能代碼、數據字段和校驗和。Fieldbus包能夠被輕松封裝在諸如用戶數據報協議(UDP)等IP包中，如圖1所示。

　　所有這些數據鏈路層" title="鏈路層">鏈路層協議的惟一共同點是ISO/OSI模型的物理層。這種模型規定了信號電壓幅度、物理介質連接方式(例如RJ45或M12連接器)以及其他電氣參數。就硬件而言，物理層可以被作為一個單獨的設計部分，這將在后面進行討論。從網絡拓撲角度看，大多數廠商都可支持任何鏈狀、樹狀或星形拓撲。下一網層(即所謂的數據鏈路層)可采用支持實時高帶寬方案的定制化FPGA或ASIC實現。
2 物理層設備的設計考慮
　　鑒于數據鏈路層協議的多樣化，工業設計團隊利用定制化FPGA或可支持兩個10/100MAC功能的嵌入式處理器實現單/雙MAC功能，以便根據IEEE 1588標準構建一個實時以太網時可以有很多選擇。考慮到這兩種可能的情況，本文將著重探討外部10/100物理層設備和MAC或數據鏈路層功能之間的常規分區。
　　符合介質無關接口(MII)協議的總線，為MAC和PHY網層之間提供互連通道。該協議基于面向發送和接收方向的4位并行數據。接收和發送時鐘的頻率都為25MHz，以便實現100Mbps" title="100Mbps">100Mbps的速率，這些時鐘信號都來自PHY設備。MII接口的管腳總數為16個輸入/輸出(I/O)線。為了減少I/O管腳數量，FPGA和ASIC經常采用精簡型MII(RMII)，共用時鐘頻率為50MHz，數據格式為雙位(Dibit)，時鐘信號既可以來自MAC，也可以來自外部時鐘源。更新的10/100 物理層設備大部分都同時帶有MII和RMII端口。
　　業界一般認為，從-40°C～+85°C的工業級溫度范圍能夠滿足工業網絡環境對溫度范圍的要求。在某些汽車應用領域，所要求的溫度范圍為-40°C～+125°C。最近，國家半導體公司推出了可滿足這兩個溫度范圍要求的10/100 Base-T物理層器件。
　　第二個考慮因素是設計出足夠強韌的物理連接，以承受靜電放電(ESD)、電纜放電事件(CDE)、電快速瞬變和雷電浪涌。外部RJ45或M12端口連接是ESD或負載浪涌的直接通道，它們可能導致系統鎖止，甚至導致對10/100 PHY收發器" title="收發器">收發器產生災難性的破壞。隨著芯片工藝日趨小型化(0.18微米甚至更低)，必須考慮的另外一個故障因素是氧化門擊穿，這種故障可提高芯片對鎖止的敏感度，結果受到靜電過電壓的破壞。由ESD導致的故障包括電介質擊穿和熱擊穿、金屬遷移和參數劣化等。
　　設計考慮事項包括器件的ESD額定值和客戶的ESD設計要求。IEC 61000-4-2第4級標準涵蓋大部分ESD標準，以人體模型(HBM)為基礎。具體項目見表1。

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　　另一種常見的靜電釋放是電纜釋放事件(CDE)。對五類電纜布線而言，CDE的源頭是電纜上累積的電荷，形成的機理是摩擦起電效應和感應。類似于電容器，電纜可能穿過地毯敷設，摩擦效應產生了累積電荷。目前還沒有出臺有關CDE及其試驗方法的標準。但是，CDE能量通常低于IEC 61000-4-2第4級威脅，制造商完全可以利用該級標準對CDE放電進行測試。電纜的遠端和近端都必須添加保護電路" title="保護電路">保護電路。發射和接收線對也必須采用保護電路，防止電纜遠端或近端浪涌和放電(參見圖2)。
　　作為一種最低要求或者出于降低成本之目的，可以僅在發射側采用保護電路，因為該側對ESD更為敏感(相對于在電纜兩端的接收線對不采用保護措施而言)。以太網中的脈沖變壓器可防止共模瞬態電壓。高能瞬態應當有一個對地釋放通道。建議在線測中心分接頭和機架接地點之間連接一個2kV的ESD電容器。這段連線應盡可能短，以避免招致高電壓并且影響物理層收發器件的電感。某些以太網物理層設備的ESD額定值為4kV，可能不要求加裝ESD或CDE保護電路，具體取決于客戶是否要求嚴格遵循IEC 61000-4-2第2或第4級標準。
　　瞬態電壓抑制(TVS)二極管已被電信行業廣泛使用來鉗制特定電壓。采用3.3V電源軌的差分PHY收發器，要求采用低電容和低電壓TVS二極管保持信號完整性和鉗制在低3.3V電壓軌的能力。低電容二極管陣列將瞬態電壓疏導至電源的正側或地。低電容TVS二極管陣列能夠提供IEC 61000-4-2標準所要求的高速數據保護。
　　第三個因素是：在不添加任何硬件的情況下，支持自檢并提供電纜和鏈路診斷實時狀態信息的能力。片上時域反射(TDR)脈沖發生器能夠在電纜上發送一個脈沖信號，由于其內在的基于數字信號處理器(DSP)的計算能力，可得出反射脈沖，從而判定常見的電纜故障，例如短路、開路、交叉耦合誤連等，估算電纜長度、發生故障的電纜的長度、故障位置以及與故障點之間的距離等。這一重要功能可以解決網絡鏈路的薄弱環節(主要是物理連接器或纜線)。常見的故障包括電纜開路或短路，引起這些故障的主要原因包括電纜或連接器斷開或受損。讓PHY器件具備執行這些診斷檢測功能，可以顯著降低最終用戶的總占有成本。
　　為了簡化制造和測試，根據IEEE1149.1標準在PHY器件中集成一個JITAG測試接入端口，能夠全面覆蓋所有數字I/O。發射器和接收器之間常見的循環操作，能夠對10/100Base-T電路執行功能測試。該電路包括物理編碼子層(PCS)、物理介質附屬子層(PMA)和物理介質相關子層(PMD)。這種電路已廣泛應用于大多數PHY收發器。
　　與網絡上其他PHY收發器的互通性是另外一個設計考慮事項。美國新漢普希爾大學互操作性實驗室(UNH-IOL)是網絡設備互通性的測試機構，它采用IEEE802.3u測試模板對各廠商的產品進行完整的互操作試驗。有了通過互通性測試的硬件，設計部門就可以專注于產品的軟件互通性(當這些產品需要支持多種數據鏈路層協議時)。國家半導體公司最近推出的 DP83849IF Dual 10/100 PHY可以很好地滿足上述所有設計要求。
3 冗余環設計考慮
　　建立冗余環網，主節點將與同一環上很多相互連接的從節點互連。主節點將在端口對環進行邏輯區分，從而阻止物理環中出現“單獨”數據包。環以菊花鏈形式進行互連，最后的菊花鏈從鏈路連回主節點。如果第一環發生鏈路故障，則由第二環提供冗余支持。銅纜可以通過鏈路信號缺失探測故障，光纖通過信號檢測來探測故障。通過采用故障連接切換方式，主環可以自動“治愈”自身故障。圖3說明了單環連接的正常鏈路運轉和故障連接切換。介質既可以是光纖(100Base-FX)，也可以是銅纜(100Base-T)。

　　從物理層設計角度出發，雙端口集成式10/100 PHY是提供冗余端口最直接的解決方案。環上的節點總數受限于時間關鍵型網絡的分辨率(對應于微秒分辨率和比特時延)。如果采用局域網交換機，則存儲轉發時延和大數據包將會對確定性響應造成嚴重影響。為實現自愈或故障連接切換功能，美國國家半導體公司的DP83849IF具有靈活端口開關技術，通過軟件配置即可實現上述功能，無需進行外部多路復用。最小限度的固件編碼可通過MDIO串口上傳。如果主環發生鏈路故障，則由第二個冗余環提供額外的備份路徑。在這種情況下，每個端站都需要2個雙端口PHY，用于支持主環的故障切換和備份環的故障切換(如圖4所示)。

　　主節點用于防止網絡冗余，并將相應的數據幀發送至目的地。廣泛使用的上層數據協議，如依據IEEE802.1D標準制定的生成樹協議(STP)，通常用于創建單一路徑，以在任意給定時間連接網絡內的所有站點。STP經常用于多路環、子環網段、備份鏈路或用于提供負載共享。快速STP也稱之為快速生成樹協議(RSTP，遵從IEEE802.1u標準)，通常用于時間關鍵型網絡。虛擬局域網是局域網交換機采用的另一種生成樹協議概念。局域網交換機為一組有地址的節點分配廣播域，上述節點不受網絡中各自物理位置的限制。
4 介質轉換器及延伸應用
　　對于大范圍工業網絡而言，局域網交換機的間距可能比銅介質交換距離(100米)更長。為解決這個問題，可以使用介質轉換器來延長最大間距。帶寬為100Mbps時，銅纜光纖介質轉換器模塊可以將交換機間距從100m擴展到1km。光纖轉換使局域網連接免受高強度EMI和臨近電動控制系統干擾的影響。上述功能在一個集成式器件(如前所述的DP83849IF器件)中即可輕松實現，無需設置任何軟件，只需在FX_EN管腳處添加1個上拉電阻器硬件，即可將一個端口設置為銅纜端口，第二個端口設置為光纖端口。同樣，通過寄存器控制裝置也可以完成上述設置。圖5對此進行了舉例說明。

　　要支持200m的交換機間距，則需要使用另一種稱之為介質擴展器的功能。同樣，DP83849IF的雙端口可以通過硬件或寄存器控制裝置輕松配置。對于帶寬為100Mbps的銅介質，其內部RX和TX路徑在PHY之間互連。如圖6所示，兩個DP83849IF器件采用端對端擴展模式進行配置。對于更長的距離而言，需要在遠端設置電源。如果局域網交換機支持供電設備(PSE)功能——通過雙絞線輸出48V標準電壓，則可以添加以太網供電(PoE)應用。電源檢測(PD)端與PSE經過握手程序后，提供符合IEEE802.3af規范的功率約為13W的整流DC電源。
　　美國國家半導體公司將推出一種單板解決方案，搭載了DP83848 PHY、LM5072 PoE PD接口和PWM控制器。上述部件均通過了各自功能的互通性測試:LM5072通過了以太網供電協會檢測，DP83848也經過了UNH互操作性測試實驗室的相關檢測。2007年IEEE802.3at標準頒布后，依照PoE Plus標準，以太網供電功率將提高到30W。同時，LM5072 PoE設備為支持700mA直流電傳輸提供了一種過渡解決方案。工業團體會很快發現PoE Plus標準非常適合提高工廠的自動化設備功率。對于帶寬為100Mbps的2km光纖延伸線路而言，DP83849IF的互連方式與硬件或寄存器控制裝置的配置類似。

5 物理層數據延時與IEEE1588標準規范
　　所有網絡節點都采用IEEE1588規定的兩種獨立時鐘中的一種。這兩種時鐘分別是單路通信端口的普通時鐘以及用于多端口集線器/中繼器或局域網交換機的邊界時鐘。惟一的主時鐘可以位于任意節點，而不必停留在主節點。主時鐘是最精確的時鐘源。在每個節點都可以采用IEEE1588最佳主時鐘算法，確定節點的時鐘質量。如果節點不是主節點，則采用發送和接收時間計算偏置值，并通過延遲測量發起同步。對所有節點都要進行精確時間測量，直至物理層設備。在檢查物理層收發器過程中，MII接收時鐘通過接收數據流進行恢復。通過接收數據流恢復時鐘的過程與內部鎖相回路如何發揮“魔力”具有直接關系。某些物理層設備的RX數據接收時鐘最長延時為20納秒。在MII和RMII總線模式下，DP83848和DP83849 PHY接收數據的RX時鐘延時僅為3納秒。通過降低接收時鐘延時，網絡內的MAC層、電纜長度延遲和其他可變時間常數具有了更多的確定性時間預算。DP83848和 DP83849的總傳輸延時達到了重復性5位時，因而不存在變化的不確定性。同樣接收延時的比特預算達到了25.5位時(1位時＝10納秒)，因而也不存在變化的不確定性。
　　最初的以太網規范已經發生了重大變化。工業自動控制團體根據Fieldbus串行通信技術的發展不斷對以太網進行調整，并最終根據IEEE1588精確時間協議規定提出了實時以太網要求。這些重大變化包括無沖突全雙工功能，從對等協議、客戶機/服務器模式到主/從模式的變化，以及利用定制FPGA/ASIC處理特定廠商協議。這些協議的共同主題就是采用標準以太網幀，將具有報頭和數據信息的特定廠商封裝幀嵌入以太網幀的數據字段中。采用主從模式的物理層設計通常可部署為雙端口物理層設備，從而支持容錯網絡采用的菊花鏈拓撲和冗余拓撲。對于工業網絡連接而言曾經足夠健壯的局域網交換機需要向更具確定性的架構演進。具有集線器/中繼器功能、主節點時隙分配以及時間安排功能的第1至第3層設計是另外的可能實現方法。最終，分布廣泛的以太網不僅要實現工業領域的實時確定性以太網連接，而且還要通過TCP/IP與非確定性互聯網進行連接。