车载以太网即SPE单对双绞线以太网，SPE诞生之初主要应用在车载领域，目前已逐渐开始向工业领域进军。传统以太网需要两对或四对双绞线，而SPE仅需一对双绞线，显著减少了布线的复杂性和成本。

SPE支持多种传输速率，从10 Mbps到25 Gbps，传输距离可达1000米。SPE通信基于IEEE 802.3标准，确保了不同厂商设备之间的互操作性。SPE相对于传统以太网通信进行了小型化与轻量化，其电缆和连接器尺寸更小，适合在空间受限的环境中使用。SPE另一大好处是它可以提供0.5-50W的供电功率，无需单独为远端的传感器/致动器供电。

机器人内部的通讯与连接

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机器人内部的通讯与连接（上图），绿线表示通信接口，该接口通常采用实时协议，来确保通信的确定性和高数据传输速率。蓝线表示电机驱动编码器接口，该接口通常使用基于 RS-485 的专有数字协议或模拟编码器接口来实现。

我们首先对工业机器人领域的通讯技术做一个全面的梳理。

工业领域常见通讯标准

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人形机器人要像人类一样移动和响应环境，需要具备什么？简而言之就是更快的数据传输。为了感知和响应周围的世界，人形机器人必须促进主控制器和感知传感器、触觉传感器、执行器、编码器和扭矩传感器之间的快速数据通信。感知传感器、通信雷达、激光雷达或摄像头的数据带宽从 Kbps 增加到 10Mbps，在某些情况下甚至达到 10Gbps。电机控制的带宽从 Kbps 增加到10Mbps，在某些情况下达 100Mbps。未能达到百兆带宽的通讯协议CAN/CAN FD和RS485在人形机器人上是不会长久的，迟早会被淘汰出局。

工业机器人领域远距离有线通信包括PROFIBUS/PROFINET、CAN/CAN-FD、EtherCAT、Modbus、RS-232 和 RS-485、EtherNet/IP、POWERLINK，其中EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT、Modbus TCP/IP、POWERLINK都属于标准以太网领域，都基于TCP/IP协议。

一、PROFIBUS/PROFINET通信

作为德国工业4.0的核心通信标准，PROFIBUS诞生于1989年，采用主从令牌环架构，支持RT（实时）和IRT（等时实时）两种模式，IRT模式时钟抖动<1μs，最高速率12Mbps，支持127节点组网支持星型、环型和混合拓扑，最大网络直径达200公里。其升级版PROFINET基于以太网实现。在汽车制造车间中，通过PROFINET IRT实现200台焊接机器人毫秒级同步，定位精度达±0.05mm。其完全兼容以太网。

二、CAN

CAN总线（Controller Area Network）是一种用于实时数据传输的串行通信协议，广泛应用于汽车电子、工业自动化、航空航天等领域。由博世公司于1986年研发，具有实时性好，高可靠性、抗干扰能力强、支持多节点分布式控制等特点，其物理层采用差分信号传输，内置CRC校验、帧格式校验和应答校验三重保障。CAN衍生了CAN-FD和CANopen。

三、EtherCAT

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一种高性能的实时以太网通信协议，广泛应用于工业自动化领域。它由德国Beckhoff Automation公司在2003年开发，并于2007年成为国际标准（IEC 61158和IEC 61784）。其具有高实时性、高带宽的特点。

四、Modbus

Modbus 是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议，最初由 Modicon 公司（现为施耐德电气的一部分）于 1979 年开发，用于支持可编程逻辑控制器（PLC）之间的通信。它已成为工业电子设备间通信的重要标准，支持多种物理层接口，包括串行接口（如 RS-232、RS-485）和以太网接口。Modbus 协议有多个变种。

五、RS-232/RS-485

RS-232 和 RS-485 是两种常见的串行通信标准，广泛应用于工业自动化、嵌入式系统和计算机通信等领域。它们都基于串行通信，但具有不同的电气特性和应用场景。RS-232 是一种单点通信标准，通常用于点对点通信，如计算机与调制解调器（Modem）之间，RS-232通信距离较短，仅适用于短距离通信，不适合高速数据传输，易受电磁干扰。RS-485支持多点通信，可以连接多个设备（最多可达 32 个），适合长距离通信，其通信距离可达1200米左右，且支持较高的数据传输速率，并且能够有效抵抗电磁干扰，但其硬件复杂且布线要求高。

六、EtherNet/IP

EtherNet/IP（工业以太网协议）是一种专为工业自动化设计的网络通信协议，由洛克威尔自动化公司开发 ，ODVA 组织管理。它将标准以太网与通用的 CIP (通用工业协议) 结合，允许设备将网络节点视为一系列数据对象，实现控制器与传感器之间的高效数据交换与控制。

七、POWERLINK

POWERLINK（Ethernet POWERLINK）是一种确定性的实时以太网通信协议，广泛应用于工业自动化领域（如运动控制、I/O通信等）。该技术最初由贝加莱 (B&R Industrial Automation) 开发，并由 EPSG（Ethernet POWERLINK 标准化组织） 进行推广。在标准以太网硬件基础上，实现了纳秒级的同步精度（约 ± 100 ns）。

在高带宽领域SPE主要和EtherCAT竞争，低带宽领域SPE主要和CAN/CAN-FD竞争。低带宽也就是10M领域SPE主要是10Base-T1S，10Base-T1S以太网和传统以太网的本质区别就是采用PLCA (物理层冲突避免) 技术的PHY层技术，为半双工通讯形式。PLCA本质上是一种按次序轮询的通讯机制，通过给网络中的所有结点分配唯一的ID号，按照ID号依次序轮询 ; 同时指定了每个节点固定的数据或命令的收发时间。T1S的单个通讯周期的时间和延时随节点数和承载的数据长度是可变的，但整个通讯周期的时间和延时是确定的和可预测的。在工业和汽车领域，可确定性是最重要的，可确定性意味着可以精确界定安全边界。

T1S vs RS485 / CAN / Modbus：

T1S可以百分之百在物理层避免网络冲突的发生，且T1S可以支持精准的1588时间同步协议，可以支持POE供电，这些其它总线做不到。T1S可以无需网关的支持无缝兼容传统IT网路，非常适合汽车或工业数据上云的需求。

T1S vs EtherCAT：T1S 网络总线上所有节点是平权的，不像EtherCAT有主从关系，T1S无需网关可以无缝兼容传统以太网，EtherCAT需有网关支持。T1S方案成本低于EtherCAT，芯片的成本和体积相比EtherCAT都要小很多。

标准以太网与SPE以太网的对比

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虽然基于标准以太网 PHY 的工业以太网过去一直用于确定性实时应用，但SPE对以太网越来越有吸引力，可用于将人形机器人内部电缆的尺寸和重量降低 75%。

SPE对于EMI/EMC比较友善，SPE通常使用电气隔离（Galvanic Coupling）：依赖专用的磁性隔离变压器（Isolation Transformers）或集成磁件。在抗噪性能、共模抑制比（CMRR）以及防止由于接地电位差导致的系统损坏方面表现更为优异。工业机器人的工作场合大电流和高频辐射比较多，对EMI/EMC非常敏感，SPE表现的鲁棒性和可靠性更高。

SPE的诊断：线缆可能失效类型

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SPE另一个优势是能够在数据通信期间对接口进行诊断。使用诊断工具介质访问控制接口来提供对 PHY 串行管理接口的完全访问。

SPE还有一个优势，就是TSN（时间敏感网络），TSN是一系列以太网标准的扩展，旨在实现以太网网络上的确定性通信。TSN 提供了确保数据传输具有保证带宽和延迟的机制。因此，TSN 非常适合实时工业应用。虽然标准以太网也可以用TSN，但处于Layer2的TSN层与Phy芯片耦合得很紧，而工业领域标准以太网Phy芯片更新速度很慢，而SPE以太网Phy芯片得益于汽车行业的快速迭代，支持TSN的以太网Phy基本都是SPE。

TSN为以太网赋予了特定技术特性，使其能够实现高可靠性、高精度的数据实时传输。核心特性与优势包括：

• 确定性数据传输：TSN可确保数据包在严格的时序窗口内实现可预测地传输，这对需要同步运营的场景（如工业环境中的机器人和自动化机械）至关重要。通过时间同步和流量调度协议实现确定性，即使在网络负载较高时，支持TSN的设备也能精确管理数据流。

• 时间同步：TSN采用IEEE 802.1AS等协议，为联网设备提供高精度时钟同步，维持微秒级计时精度。这一特性对自动化中协调性强、对延迟敏感的过程（如运动控制和视觉系统）是不可或缺的——在此类场景中，时间偏差可能会干扰正常运行。

• 流量优先级与服务质量（QoS）：通过IEEE 802.1Qbv等机制，TSN为不同的数据分配不同的优先级，确保高优先级、时间敏感的数据，能够无中断地到达目的地。这种QoS机制支持控制数据、视频数据、通用信息等多种数据类型在同一网络中传输，既提升了运营效率，又减少了对独立基础设施的需求。

• 互操作性：由于TSN基于以太网构建，它能够与现有基于以太网的网络无缝集成，提供灵活且可扩展的解决方案。这种互操作性通过连接制造与工业环境中的各类设备与系统（无需专用布线或网络结构），有力的支持工业4.0目标。

这些特性使TSN以太网成为需要精确实时控制的行业（尤其是运动相关应用领域）的通用高性能解决方案。在涉及实时协同操作的复杂制造流程自动化中，TSN 的价值尤为突出。它能确保在传感器、控制器与执行器之间，实现低延迟且同步的通信，在分秒级的装配线和机器人系统中，时序对质量与效率至关重要。

在机器人领域，TSN的精确计时与低延迟特性，可保障机械臂、传感器与控制器之间的无缝协作。TSN支持多轴运动控制及复杂机器人动作，这对高速包装、焊接和取放运营等场景尤为关键。

TSN工业自动化一致性协作组织（TIACC）是CLPA、Avnu联盟、ODVA、OPC基金会以及PI等国际工业组织联合发起的倡议。其目标是针对使用TSN网络的设备，制定统一的一致性测试计划，特别是与“IEC/IEEE 60802配置文件”保持一致。这一举措，旨在实现不同厂商TSN兼容产品间的互操作性，确保它们能够在工业环境的同一网络基础设施上无缝运行。

以TSN标准中的802.1AS时间同步为例，802.1AS让系统的时钟同步精度在15纳秒内。

802.1AS时间同步精度

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时间同步精度是TSN、工业自动化等关键领域的生命线，它衡量着分布式系统内各节点时钟的协同程度，其微秒乃至皮秒级的偏差直接决定了系统性能的边界。例如分布式系统对传感器与执行器的时间协调有极高要求，微秒级的偏差足以导致操作失败。尽管IEEE 1588精确时间协议（PTP）能利用传统以太网实现亚微秒级同步，并因此备受青睐，但其精度性能在延迟不同的大型级联网络中会急剧下降。通过简化协议、强制硬件时间戳、采用对等延迟机制并与TSN网络深度协同，IEEE 802.1AS在封闭网络中实现了较通用IEEE 1588更卓越的同步精度与可靠性。

Phy芯片的硬件时间戳

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Phy芯片内部有硬件时间戳，工作于数据链路层，直接在数据包进出网卡物理层（PHY）时记录时间，消除了操作系统调度延迟和软件协议栈的抖动。精确计算并补偿发送端到接收端之间的物理线路传播延迟。时钟相位锁定：通过周期性发送的 Sync 报文，从节点（Slave）不断修正自身的频率与相位，与主时钟（Grandmaster）保持极致一致。

目前态势很明确，SPE确认是明日之星，机器人智能化越高，对带宽需求越来越高，SPE的优势就越明显。

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