单对以太网(SPE)在楼宇自动化中的应用

以太网已成为楼宇自动化中控制金字塔顶端的主流通信协议。电气和电子工程师协会(IEEE)最近定义了一种新型以太网标准——IEEE 802.3.cg，用于10 Mb/s的操作以及通过一对平衡导体进行的功率传输。由于单对电缆现在可同时支持数据和电源，因此采用此标准可节省大量成本，并更易于在楼宇自动化应用中进行安装。

将以太网带到边缘器件需要付出诸多努力。当前，楼宇自动化中存在多个通信网络——例如暖通空调(HVAC)应用使用Modbus、访问控制使用BACnet、照明使用LonWorks、消防安全使用以太网。此类网络碎片化需要使用网关来执行协议转换，以将合并网络联合到楼宇自动化控制金字塔的顶端。最终用户必须依次管理复杂的系统。

各种通信网络存在的原因包括需要更长的距离、多点连接、电源方案以及对约束性协议的支持，单对以太网可以解决上述问题。将以太网连接到边缘器件可带来以下优点：可直接访问控制系统、状态更新、预测性维护、标准化硬件以及各种系统之间的互操作性。

SPE概述

如图1所示，标准以太网使用有着独立电缆的单电缆通信发送和接收数据。

图1：10/100 Mbps的标准以太网接口

单对以太网(SPE)大致分为三类：

●IEEE 802.3.cg (10 Mbps).

●IEEE 802.3.bw (100 Mbps).

●IEEE 802.3.bp (1,000 Mbps).

IEEE 802.3cg分为两类：

●I长电缆和短电缆的长度均超过一对平衡的屏蔽或非屏蔽电线。10BASE-T1L：IEEE 802.3物理层规范，适用于单对平衡导体上的10 Mb/s以太网局域网，可达至少1000米(使用18 AWG导线进行点对点连接时的长距离)。

●I10BASE-T1S：IEEE 802.3物理层规范，适用于单对平衡导体上的10 Mb/s以太网局域网，可达至少15 米(使用多支路连接的24-26 AWG导线的短距离)。

本文介绍了10BASE-T1L的应用，其在楼宇自动化系统中超过1000 米的距离内可提供高达10 Mbps的数据速率。

10BASE-T1L物理层(PHY)在单对平衡导体上使用全双工通信，在每一方向上同时具有10 Mbps的有效数据速率。10BASE-T1L PHY使用三级脉冲幅度调制(PAM3)，在链路段上以7.5兆波特发送。33位扰码器可帮助提高电磁兼容性。MII发送数据(TXD <3：0>)使用四二进制三进制(4B3T)编码进行编码，可将所发送的PAM3符号的运行平均值(DC基线)保持在范围之内。使用管理数据输入/输出接口将10BASE-T1L PHY的变送器输出电压设置为1.0 Vpp或2.4 Vpp差分，有助于在不同电缆上实现更长的通信距离。

如图2所示，SPE使用回声消除来实现全双工通信，并使用多级信令和均衡来改善信号质量，并在单对电缆上实现所需的数据速率。处理器和PHY之间的接口没有差异;但在PHY内，介质相关接口的发送和接收段需要进行如上所述的修改，以实现单对操作。

图2：10/100 Mbps的SPE接口

SPE还可通过一个低通滤波器沿同一根单对电缆经数据线(PoDL)发送功率，如图3所示。

图3：PoDL示例

表1列出了IEEE 802.3.cg标准支持的各类功率等级。可交付给负载的最大功率为52 W，定义在在15级下。IEEE 802.3.bu涵盖低于10级的功率等级。

表104-1a——10至15类的PSE、PI和PD的电源分类需求矩阵

表1：EEE 802.3.cg标准支持的功率等级

SPE的优点

过渡到SPE具有多个优点，包括安装到使用单个通信网络管理整个楼宇。它的优点使总拥有成本得以降低，并提高了楼宇自动化系统的投资回报率。例如：

●将以太网连接置于边缘无需附加网关，仅需一个通信网络即可简化系统。

●PoDL无需使用单独电源线，简化了楼宇自动化系统的布线。

●仅使用一对电线，可减少电缆的成本和重量，更易于架空布线。

●更快、更简易的安装减少了人工成本。

●与现有的现场总线网络相比，带宽改善为实现诸如预测性维护之类的功能提供了灵活性。

●10BASE-T1L可提供1000米有着10Mbps数据速率的通信距离，有助于替换成本较高的光缆并实现更多数据传输。

以下部分说明SPE如何实现以及各种楼宇自动化应用程序的相关优点。