産業用Ethernet「10BASE-T1L」に最適なPHYとは？ - 半導体事業

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工場ネットワークの強化が迫られる中、産業用Ethernetの新規格「10BASE-T1L」への注目が高まっています。

「10BASE-T1Lという名前は知っているが、特徴を改めて確認したい」「4-20mAやフィールドバスとの比較を知りたい」「10BASE-T1Lでのシステム構築に必要なPHYの情報が欲しい」という方も多いのではないでしょうか？

ここでは、これから工場ネットワークを刷新したい技術者の方に向けて、「10BASE-T1L」の概要、従来方式との比較、「10BASE-T1L」専用PHYのラインナップを紹介します。

～止まらない工場ネットワークの進化～産業用Ethernetの新規格「10BASE-T1L」

インダストリー4.0の時代を迎え、製造DXやスマートファクトリー化が推進される中、これまで工場で使われてきた4-20ｍAのHART通信やフィールドバス通信には「データ量の増加に対応できない」「リアルタイムなデータ伝送ができない」といった課題が発生しています。

またIoT化にともなって通信距離が長くなり、多くの工場で配線の複雑化が避けられなくなっています。「これ以上配線を複雑化したくない」「ケーブルコストを抑えたい」という観点からも、通信のEthernet化が求められています。

こうした中、登場したのが、産業用Ethernet PHYの新規格「10BASE-T1L」です。2019年11月7日に「IEEE 802.3cg」として承認されました。

その主な仕様は、「10BASE-T1L」という名前に表現されています。

1対のツイストペアケーブルで、1kmまでの長距離通信を実現できるのが特長です。

伝送速度は10Mbpsで、全二重通信、ポイント・ツー・ポイント接続に対応しています。ケーブル経由での電力供給も可能です。

また、本質安全防爆構造に対応しており、可燃性ガスや粉塵による火災や爆発の防止が求められる生産エリアのアプリケーションにも利用できます。

標準的な産業用Ethernet PHY規格との違いは、下表のとおりです。

PHY主要機能	10/100/1000	10BASE-T1L
ケーブル	2ペアまたは4ペアEthernet	単一ペアEthernet
距離	100mまで	1kmまで
防爆	非対応	対応
伝送速度	10Mbps,100Mbps,Gbps	10Mbps
コネクター	RJ45	規定なし。小型2ピンコネクターなど可
電源供給	PoEで対応	PoDLで対応

＜比較：標準PHYと10BASE-T1L＞

10BASE-T1Lを使って、末端のデバイスから制御装置まで、Ethernetだけでシンプルに接続し、コネクターやケーブルの軽量化、ケーブルのコストダウンを実現できます。

「10BASE-T1L」と「4-20mA HART」「フィールドバス」の違い

それでは、従来の4-20mA HART通信やフィールドバス通信と比べると、10BASE-T1Lにはどのような特長があるのでしょうか。

それをまとめたのが次の表です。

比較項目	4-20mA HART	フィールドバス	10BASE-T1L
ネットワーク帯域幅	1.2kbps	31.25kbps	10Mbps
上位層Ethernetとの接続	ゲートウェイが必要	ゲートウェイが必要	ゲートウェイ不要
電源供給	40mW未満	限定的	防爆：500mW 非防爆：60W （ケーブルに依存）
技術者の数	減少傾向	減少傾向	若手にも習得者が多いEthernet技術

＜比較：「4-20mA HART」「フィールドバス」「10BASE-T1L」＞

特長(1) データ増加に対応する、10Mbpsの帯域幅

4-20mA HART通信やフィールドバス通信と比較して、10BASE-T1Lのネットワーク帯域幅は圧倒的に広いのが特長です。遠隔地にあるセンサーやアクチュエーターから直接データを取得し、リアルタイムに連携できます。

特長(2) ゲートウェイ不要、1 kmの長距離通信

これまで末端のデバイスから上位Ethernet層へのデータ連携には、多くの場合、中間でデータを集約するゲートウェイが必要でした。10BASE-T1Lは、1 kmの長距離通信に対応し、ポイント・ツー・ポイントで接続できるため、ゲートウェイ不要でシームレスに接続できます。

特長(3) ケーブル経由の電源供給量が大幅アップ

10BASE-T1Lは、防爆向けでは500mW、非防爆では60Wまで、ケーブル経由の電源供給が可能です。シンプルな配線で、センサー、アクチュエーターへの電源供給量が大幅に増加します。

特長(4) 若手技術者も多いEthernet技術

国内では技術者の高齢化が進み、レガシーの通信規格を扱える技術者は減少傾向にあります。Ethernet技術は若手でも使い慣れている技術者が多く、ノウハウや技術継承に苦労することなく展開できます。

特長(5) ケーブル再利用で、コスト抑制

具体的なケーブルの指定がないため、挿入損失・リターン損失などのシンプルなスペックを満たせれば、既存のケーブルを再利用できる可能性があります。ケーブルコストの抑制と省配線化を実現できます。

10BASE-T1Lを活用することで、これからのインダストリー4.0に対応する、工場全体のシームレスなネットワーク環境を実現できるのです。

アナログ・デバイセズの「10BASE-T1L」専用PHYラインナップ

10BASE-T1Lを導入する場合、具体的にどのようなデバイスが必要となるのでしょうか。

ここでは、超低消費電力を強みとするアナログ・デバイセズの産業用10BASE-T1L PHYラインナップから、3つの製品を紹介します。

ADINシリーズの命名規則

まず製品ラインナップの見方を整理しておきましょう。アナログ・デバイセズの産業用10BASE-T1L PHYラインナップは、型番が「ADIN」から始まり、その後に続く4桁の数字を見るだけで主要なスペックがわかるようになっています。左から数えて「1番目＝チャネル数」「2番目＝速度クラス」「3番目＝PHYかMAC-PHY」「4番目＝バリエーション」と覚えると、ラインナップも簡単に整理できます。

ADINXXXX

数字の位置（左から）	意味	主な値
1番目（Xxxx）	PHYチャネル数	1：シングル 2：デュアル
2番目（xXxx）	速度クラス	1：10Mbps対応（10BASE-T1L専用／長距離・低速） 2：100Mbps対応（10BASE-T1L+100Mbps※ケーブル長180m） 3：1000Mbps対応（10BASE-T1L+100Mbps+1GbE※ケーブル長150m）
3番目（xxXx）	PHYまたはMAC-PHY	0：PHY単体 1：MAC-PHY統合型（SPI制御など）
4番目（xxxX）	バリエーション	0：シンプル製品 1：機能付き製品

例1）ADIN1100と1101はどちらもPHY単体だが、1101はより小型で、終端抵抗を内蔵。

例2）ADIN1110と1111はどちらもMAC-PHYだが、1111はより小型で、終端抵抗を内蔵。

ADIN：Analog Devices Industrial Networking製品シリーズ

ラインナップ（1）超低消費電力で終端抵抗を内蔵した「ADIN1101」

超低消費電力の「ADIN1101」は、IEEE 802.3cg-2019に準拠したPHYです。1.0V pk-pk、2.4V pk-pkの動作モードに対応します。

従来品の「ADIN1100」と同等の超低消費電力性能を維持しつつ、パッケージサイズはわずか5x5mmと、さらに小型化しています。終端抵抗を内蔵しているため、外付け抵抗を削除でき、部品点数の削減およびシステム全体の小型化に貢献します。

オートネゴシエーション機能を有効化することで、最大1700メートルのケーブル伝送距離に対応し、39mWの超低消費電力を実現します。

・10BASE-T1L IEEE 802.3cg-2019規格に準拠

・1.0 V p-pと2.4 V p-p伝送モードをサポート

・超消費電力：39mW~

・オートネゴシエーションで1,700mまでのケーブル長に対応

・小型パッケージ：32ピン5mm × 5mm LFCSP

・産業向け保証動作温度範囲：−40°C～+105°C

ラインナップ（2） SPIインターフェース対応の小型MAC/PHY「ADIN1111」

次に紹介するのが、MAC内蔵PHY「ADIN1111」です。ホストプロセッサーとSPIプロトコルで通信できるため、扱いやすく、プロセッサーの選択肢が大幅に広がります。現行ソリューションのアーキテクチャーやソフトウェアをそのまま再利用でき、設計工数を削減できます。

パッケージサイズは5x5mmで、従来品の「ADIN1110」よりもさらに小型化しています。終端抵抗を内蔵しており、外付け抵抗を削除できるため、部品点数の削減やシステム全体の省スペース化に寄与します。

・10BASE-T1L IEEE 802.3cg-2019規格に適合

　-1.0 V p-pと2.4 V p-p伝送モードをサポート

　-マスター/スレーブ

・SPIインターフェースのMACを内蔵

・IEEE 1588のタイムスタンプをサポート

・超低消費電力：50mW~

・オートネゴシエーションで1,700mまでのケーブル長に対応

・小型パッケージ：32ピン5mm × 5mm LFCSP

・産業向け保証動作温度範囲：−40°C～+105°C

ラインナップ（3）デイジーチェーン接続も容易な「ADIN2111」

2つのPHYポートを持つのが「ADI2111」です。1つのデバイスで、デイジーチェーン接続を容易かつ低コストに構成できます。MAC内蔵で、ホストプロセッサーとSPI通信が可能です。

例えば、建物の温度・湿度の計測デバイスなどを簡単に接続できるため、総合的なビル管理のネットワークなどにも適しています。

・簡単なイーサネットスイッチ

　-カットスルーとフォワードオペレーション

　-オンチップFIFO/ Queue

　-RX：20KB、TX：8KB

・SPIホストインターフェース

　-16MACアドレス

　-10Mb/ sec 全二重

・低消費電力：80mW（1v p-p 両電源）

・小型パッケージ：48ピン7mm × 7mm LFCSP

・10BASE-T1L IEEE 802.3cg-2019規格に適合

製品比較表

ここまでに紹介した製品の比較表は以下のとおりです。「ADIN1101／ADIN1111」については、比較のため、従来品の「ADIN1100／ADIN1110」も記載しています。

製品	タイプ	インターフェース	最大ケーブル長	対応帯域	消費電力	パッケージ / サイズ	温度対応
ADIN1100	PHY	MII / RMII / RGMII + MDIO	1,700 m	10BASE‑T1L (10 Mbps)	39 mW	40-pin LFCSP / 6×6 mm	–40～+105 ℃
ADIN1110	MAC‑PHY	SPI	1,700 m	10BASE‑T1L (10 Mbps)	42 mW	40-pin LFCSP / 6×6 mm	–40～+105 ℃
ADIN1111	MAC‑PHY	SPI + Open Alliance	1,700 m	10BASE‑T1L (10 Mbps)	50 mW	32-pin LFCSP / 5×5 mm	–40～+105 ℃
ADIN1101	PHY	MII / RMII	1,700 m	10BASE‑T1L (10 Mbps)	39 mW* *低消費電力モードあり	32-pin LFCSP / 5×5 mm	–40～+105 ℃
ADIN2111	2-Port スイッチ	2 × 10BASE‑T1L PHY + SPI MAC/Switch	1,700 m	10BASE‑T1L (10 Mbps)	77 mW	48-lead LFCSP / 7×7 mm	–40～+105 ℃

現在、従来品の「ADIN1100／ADIN1110」を使用している場合、機能付き製品である「ADIN1101／ADIN1111」へのマイグレーションも有効な選択肢です。

ADIN1101／ADIN1111は終端抵抗を内蔵し、従来品では4本だった送受信端子を2本に集約。電源電圧端子（DVDD1P1）も削除されました。

従来品からのマイグレーションによって、パッケージの小型化に加えて、周辺部品の削減や回路構成の簡素化などのメリットが得られます。外付け抵抗を削除するなど、基板の変更は必要となりますが、ソフトウェアやドライバー、レジスターについては、従来品の設定をそのまま活用することが可能です。

設計負荷を抑えながら、省スペース化や部品削減を図ることができます。ぜひご検討ください。

ADIN1100/ADIN1110⇒ADIN1101/ADIN1111

マイグレーションまとめ

設計変更が必要

・PCB（より小型に）

・外付け抵抗の削除（終端抵抗は内蔵されました）

・電源電圧の追加（DVDD1P1）

変更不要！

・ソフトウェア/ ドライバーの設定

・レジスターの設定

充実の診断機能で、ダウンタイムを短縮

紹介したデバイスは、いずれも診断機能が強化されているため、ネットワークトラブル時にも迅速に対応し、システムのダウンタイムを短縮できます。

リンク品質モニタリングでは、SNR測定やビットエラーレートの見積もりも可能で、ループバック、フレームジェネレーター、フレームチェッカーをサポート。ケーブル診断機能 TDR（Time Domain Reflectometry）を内蔵しており、故障の位置や種類を解析できます。

アナログ・デバイセズのADINシリーズは、充実の診断機能でダウンタイムを短縮します。

評価ボードで既存ケーブルの通信品質を診断できる

10BASE-T1Lは標準ケーブルの規定がないため、一定の通信品質を満たすことができれば、既存のシングルペアケーブルの再利用が可能です。既存の配線をそのまま活用することで、導入コストを抑えながら工場ネットワークを強化できます。一方で、既存のケーブルが本当に利用できるのか、確信が持てないケースもあるのではないでしょうか。

そこで、アナログ・デバイセズでは、評価用ソフトウェア（GUI）を用いた信号品質の診断機能を提供しています。既存の配線が実際に利用可能か、定量的に判断することが可能です。

信号品質の診断機能を提供しているADINシリーズ評価ソフトGUI — ADINシリーズ評価用ソフトGUI

MSE（平均二乗誤差）によるケーブル診断

評価ボードによるケーブル診断には、MSE（平均二乗誤差）を用います。PHY内部でMSEを測定し、SNR（信号対雑音比）やBER（ビット誤り率）でリンク品質を評価します。

アナログ・デバイセズのPHYデバイスでは、133nSごとにMSE_VALレジスターに値が格納されます。この値を計算式に当てはめることによって、MSEおよびSNRを算出可能です。

\[ MSE(\mathrm{dB}) = 10 \log_{10}\left( MSE_{\mathrm{VAL}} \times \frac{1.5523}{2^{18}} \right) \]

\[ SNR(\mathrm{dB}) = -10 \times \log_{10}\left( MSE_{\mathrm{VAL}} \times \frac{1.5523}{2^{18}} \right) \]

SNRとBERには、以下のグラフのような相関があります。

IEEE 802.3cg-2019規格では、「BER 10⁻⁹以下」であることが求められます。横方向の青い破線はBER 10⁻⁹を示しています。このグラフによると、BERが規格の要件を満たすのは「SNR 20dB以上」のときです。これは、前述の計算式から「MSE -20dB以下」と読み替えることが可能です。

MSEを簡単に測定するために、評価ボードにはフレームジェネレーター／チェッカー機能、ループバック機能が用意されています。