2021年01月15日 | 工业以太网的发展：多协议和PoE

工业以太网需要不断提高速度和改善延迟性能以适应工厂自动化的新需求。工程师通过采用具有全双工功能的100 Mb/s以太网来达到这些条件。该设计可解锁点对点设备的连接，从而创建以太网解决方案来帮助管理自动化工业应用中的大量数据。

作为工业以太网的组成部分，以太网供电（PoE）将电力和数据的传输集成在电缆中。电缆无需调节交流电即可提供直流电，从而实现集中控制。

PoE具有效率高以及部署简便等特点，但电压较低，随着标准不断发展，具有更高的配电能力，从而将PoE扩展到更广泛的设备。

关于工业以太网

如果回顾一下以太网的历史，速率的发展轨迹大概为：10 Mb/s，100 Mb/s至1 Gb/s。

以太网由于容量有限，因此初期在工业应用中不多。但是，随着在全双工功能的交换模式下使用快速以太网（100 Mb/s）的改进，工程师可以利用设备之间的点对点链接，从而将以太网用于大多数工业应用。

所有工业以太网协议都需要某种程度的确定性，传统上已经通过使用软件协议栈来解决。有了这些协议，其他几种设计趋势正在推动标准的更新或创建。

速度和延迟

除了将快速以太网与全双工功能相结合，有效的工业以太网解决方案还需要特定于应用的设计功能。例如，不同的应用程序对数据响应时间有独特的要求。医疗保健可能需要大脑计算机接口应用程序的响应时间，在这种情况下，用户的大脑会通过传感器将信号发送到处理器，然后再返回到身体以进行响应。

在同一领域，提供者可能仅需要毫秒响应时间即可进行远程患者监视。传输和分析的数据量，速度和延迟要求决定了系统设计。多种设计方法可以实现一种通信协议，以支持不同的延迟要求。

嵌入式通讯协议

随着系统动作之间集成度的提高，由于降低系统成本，外形尺寸和功率预算的压力，通信功能已深深嵌入。过去，客户购买了价值数百美元的现成通信模块，然后可以将其添加到驱动器模块中。这种类型的模块既不具有成本效益，也不适用于较小尺寸的驱动器设计。

另一个选择是包括一个专门用于通信功能的专用标准产品（ASSP）。由于不同的客户使用不同的工业以太网标准，因此该ASSP可能会需要重新设计以支持许多协议。但是，随着供应商寻求将其所有数字驱动功能集成到一块硅片上，通信协议有必要成为一种小的功能，作为整个“片上驱动”设计的一部分来实现。

迈向千兆以太网

标准更新的另一个推动力是向千兆以太网的潜在发展。由于几乎所有FPGA都可以支持千兆以太网，所以即使标准开始朝着更高的1 Gb/s速度发展，经过深思熟虑的系统设计也只需要一个新的FPGA编程文件即可支持任何此类标准演进。

将工业以太网协议实现为可编程结构中的深度嵌入功能，可为工程师提供使用相同硬件支持多种协议的灵活性。它还使系统与高度集成的设计所带来的所有优势保持一致：优化的功率，成本和尺寸。

工业以太网标准的激增

随着工业以太网的进步和相互依赖，工业以太网协议有许多变体。数据的使用，处理，传输和存储方式的发展催生了专业组织定义一套围绕工业以太网使用的最佳实践的需求。这些标准需要包括在内，以确保它们涵盖特定系统组件的所有竞争模型。

例如，驱动系统供应商必须能够支持大约六到八个标准才能将产品销售遍及全球的不同工厂。如果供应商计划在亚洲和欧洲出售驱动器并以以太网技术不可知地运行，则有以下三种主要选择：

设计，开发和维护多套驱动器设计。

包括支持多种协议的ASSP，并希望协议不会改变。

使用可编程平台。

从历史上看，当工业以太网标准使用标准MAC /交换机时，很容易将微处理器单元（MPU）专用于通信。为了支持新标准，系统设计者可以换出协议栈（软件）。但是，许多较新的标准都需要专门的MAC实现。

在处理这种较新的标准时，在具有标准以太网MAC和交换机的标准MPU上标准化通信协议实现的方法不足。一些MPU供应商已经开发了一些技术，例如为专有的嵌入式处理器开发自定义微代码，以模拟非标准MAC。但是这些都是深奥的方法，存在未知的陷阱。

通常，需要专用MAC实现的协议最好与使用专用硬件方法（使用ASIC或FPGA）一起应用，具体取决于数量和所需的价格。另外，随着这些标准的发展，MAC设计始终可能会发生变化。为了使系统设计在将来不会出现这种情况，可编程硬件方法是最安全的方法。

PoE是工业以太网未来的关键推动力，并且拥有自己的一套标准，可以为连接的设备提供越来越多的功率。数据传输和电源之间的连接非常关键，因此需要PoE自己的一套标准，这些标准必须随工业以太网一起发展。

为什么标准需要发展

由于低压操作阻碍了PoE的发展，因此专业组织正在修改标准，以提高使用PoE的工业以太网解决方案的更高配电能力。PoE的基础结构已经存在于数据传输路径中，因此使用PoE分配电源变得更加容易，从而使其可以应用于越来越多的设备。相关标准总结如下（给定设备类型存在多个类别）：

IEEE 802.3af-2003：原始PoE标准规定了通过2对双绞线电缆传输的直流功率最高为15.4W。在达到受电设备之前，允许线路损耗消耗不超过16％的功率，从而提供12.95 W直流电（1型设备）。

IEEE 802.3at（2009）：2009年对PoE标准的改进将限制提高到了30 W dc（第2类设备），在该对上的输出功率为25.5 W dc。

IEEE 802.3bt（2018）：应用程序不断发展以推动更高的电源需求。结果，该标准的最新修订版于2018年将提供给受电设备的功率从51 W dc（类型3）提高到71.3 W dc（类型4），所需线路损耗不到21％。

标准中规定的不断增加的功率强调了这一点，即PoE是向连接的设备分配功率的一种越来越受欢迎的方法。工程师通过使电流流经网络电缆的所有四对双绞线来获得更高的功率水平，以实现更高级别的4类设备。

扩展的配电功能可通过消除设施管理中的IT和运营中断来实现物联网（这是历史上的挑战），可通过改进技术与设备的连接性来实现。只需要一根电缆束即可，这种集成极大地简化了安装和路由路径，同时降低了安装成本。

随着5G寻址带宽限制的传播，系统性能将受到设备供电的限制。换句话说，按需提供可靠的电源是该设施的关键功能。更高的输出功率可解锁其他功能，从而改善连接设备的用户体验。借助新的PoE标准，网络上的更多设备可以将电源与数据传输集成在一起。

结论与应用

像许多其他通信功能一样，工业以太网的实现也正从模块转移到设备，逐渐成为一种深度嵌入的功能。随着系统供应商努力优化成本，功耗，尺寸等方面的设计，这种演进是众多任务的标准。

在工业以太网中，PoE具有许多优势。 PoE具有成本效益，这是因为它使用一根电缆来处理电源和数据传输。这样的好处是减少了连接，并且比传统的AC-DC转换更好地促进了集中控制，同时在电缆布线模式中提供了几乎无限的灵活性。 PoE是高效的，仅按需要的数量向活动的受电设备提供供电。

启用物联网并推动作为工业以太网的创新，PoE标准不断发展以跟上功率需求。设备和设施设备的更高集成度，以及增加的数据生成和分析速率，推动了对可靠输出功率的需求。多年来，IEEE 802.3一直在发展，以提供增强的数据传输能力。

功率传输的激增使更多类型的设备和设备可以实现PoE的优势。原始PoE支持的静态监控摄像头，无线访问点和仅语音的电话。 2009年修订版允许警报系统和可视电话使用PoE。 2018年更新引入了视频会议，笔记本电脑，平板电视以及物联网使用的许多设备。

可以向连接的设备供电的速率决定了可以通过工业以太网传输和分析数据的速度。 PoE使可靠的大功率负载能够以简单的安装方法，同时覆盖更多的设备。