兼具诊断能力和高能效特性，安森美10BASE-T1S芯片深度解析

摘要：随着软件定义汽车加速落地，高效、精简、适配车载场景的通信技术成为行业核心诉求。10BASE-T1S作为专为车载与工业场景打造的以太网技术，为破解车载网络瓶颈统一提供了关键方案。为帮助大家完整理解这项技术的核心价值，我们将通过两篇技术文章详细介绍。第一篇文章介绍了车载网络的发展痛点、精简型以太网的行业需求等，本文将重点介绍10BASE-T1S芯片。

1. 安森美（onsemi）如何打造出众的10BASE-T1S芯片

图1：安森美T30HM1TS2500产品图

安森美依托在10BASE-T1S以太网领域的深厚技术积累，推出了第二代10BASE-T1S MAC-PHY器件，T30HM1TS2500完全符合IEEE 802.3cg和OPEN Alliance TC14/10/6标准。这款收发器采用高性价比的阶梯式可润湿侧翼QFNW20（4mm×4mm）封装，基于双极CMOS/DMOS（BCD）65nm工艺打造，可将高压模拟功能与高密度数字功能相结合。T30HM1TS2500实现了安森美独有的几项10BASE-T1S功能，包括：

1. PLCA协调器冗余

单对多点网络拓扑需要采用半双工通信方案，同一时刻仅允许一个节点正常通信；若多个节点同时发送数据，将引发冲突并造成两个发送站的数据损坏，导致传输无法使用。

传统以太网总线拓扑中，解决此类冲突的唯一标准方案为载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议。CSMA/CD机制要求设备在发送前先侦听信道，一旦检测到冲突则随机退避并重传，最多重试16次。这种处理问题的方法不具有确定性，效率低下。底层的退避机制会导致每次尝试后等待时间加倍。与其说是仲裁，不如说是一种尽力而为的方法。

图2：PLCA中的事件顺序

如图2所示，在由六个节点共享的总线上，协调器节点会发送一个时长为2μs的短帧专用符号，用于标识传输周期的起始。当接收到信标信号时，连接的节点（也称为跟随节点）会同步到该传输周期。

每个站点均分配有唯一的PLCA ID，只有当站点的ID与当前的传输机会编号匹配时，才允许该站点传输数据。在预先设定的传输机会次数用完后，协调器会发送新的信标信号来重置周期。该机制可从根本上避免冲突，并有助于最大限度地提高吞吐量。

因此，不再需要耗时的CSMA/CD退避机制，PLCA使10BASE-T1S网络成为了具备轮询仲裁能力的网络。PLCA协调器冗余功能采用安森美自主研发并获得专利的冗余协调器方案，可有效抵御故障，且能够与其他厂商产品完全互操作。如此一来，即便指定的协调器出现异常，网络中仍有节点可接管，确保总线上所有节点的PLCA功能正常运行。

由于协调器冗余由PLCA协调层处理，主机无需了解或参与具体的操作，只需通过简单的寄存器写入即可启用。与其他方案不同，安森美PLCA协调器冗余功能不会永久转移协调器角色；换句话说，冗余协调器仅在专用协调器无法提供信标时才处于活动状态。只需在10BASE-T1S网段中添加一个安森美MAC-PHY器件（HM1TS2500），可为协调器提供备份，显著提升网段容错能力。

安森美的协调器冗余功能支持按层级顺序部署多个冗余协调器，数量可与跟随节点保持一致，优先级由PLCA ID决定，ID越小优先级越高。当某个协调器故障时，下一个冗余协调器将接管；一旦原来的协调器恢复正常运行，所有冗余协调器将立即恢复到“待命”状态。整个过程无需上层软件干预，对物理层以上各层完全透明。

1. 增强型信号质量指数（SQI+）

OPEN Alliance推出了SQI指标（有时称为信号质量指标），供节点上报所接收信号的信噪比等级。安森美将OPEN Alliance定义的SQI等级从8级扩展至32级。凭借更精细的分级，网络监控器能够更准确地检测出网络布局错误、端接不当、因线缆或组件故障和老化导致的信号劣化等异常情况。

这项增强特性使网络固件能够持续监控信号劣化和故障风险，包括网络布局错误、信号端接不当，或是因线缆和线束故障和老化而反复出现的问题。

1. 增强型抗噪声功能（ENI）

增强型抗噪声功能（ENI）可在强噪声环境下保障信号完整性。此功能利用了PLCA可完全避免总线冲突的机制，传输介质中所有与信号无关的能量均可被准确识别为噪声并滤除。在10BASE-T1S网络中，ENI技术可使设备在噪声水平远超IEEE规范的条件下仍保持稳定通信，为大网络覆盖范围、增加节点数量铺平道路。基于安森美10BASE-T1S收发器的实验表明：在同时启用ENI与PLCA功能时，系统可在线缆长度超过150米的条件下实现可靠通信。

1. 线束缺陷检测（HDD）

安森美10BASE-T1S收发器集成内置线缆故障诊断功能，可通过识别信号特征，判定以下故障类型：单线/双线开路、单线/双线对电源或对地短路、缺失单端/双端端接。

图3：五节点总线中可使用HDD检测的线束缺陷位置示意图

安森美10BASE-T1S收发器，是首批依据OPEN Alliance TC14高级PHY诊断规范来实现线束缺陷检测（HDD）功能的产品。如图3所示，在总线上所有节点都处于静默状态时，可通过主机控制器的PHY管理接口（MDIO），将总线短时（仅数毫秒）切入专用诊断模式。HDD支持对线束完整性执行按需式健康检测。

1. 能效模式

为了确保IVN能够利用低功耗模式并随时响应唤醒调用，安森美将收发器设计为全面兼容休眠/唤醒（TC10）、本地唤醒输入、本地唤醒转发及用于稳压器控制的抑制输出等模式。借助上述模式，设备可在无数据帧传输时进入低功耗休眠状态，并在需要处理传输任务时即刻唤醒。

在休眠模式下，安森美10BASE-T1S收发器的唤醒功能可由高达48V的电压供电，工作电流低至20µA。

1. 汽车与工厂网络性能的未来

如今，软件定义汽车乃至延伸而来的软件定义工厂，不仅有望实现从核心到边缘的确定性、高可靠性能，更已具备落地条件，可降低系统复杂度与成本。而要实现这一目标，需要专为边缘场景设计的以太网方案，而非基于企业网络模型改造而来的方案。

10BASE-T1S正是为此而生：它将以太网的可靠性与可扩展性延伸至边缘节点，支持多点总线连接，实现带宽的高效利用。通过搭载完整的功能特性，10BASE-T1S在简化网络设计的同时，可充分满足现代汽车与工业制造设备对实时响应和高性能的严苛要求。

安森美的T30HM1TS2500 10BASE-T1S MAC-PHY产品，正是为实现上述目标而精心打造。安森美产品兼具先进的诊断能力与高能效特性，全面兼容相关标准，为下一代IVN与工厂车间网络奠定了坚实可靠的技术基石。安森美10BASE-T1S收发器既能支撑当前可扩展架构的落地，也为未来的性能升级预留了充足空间。