当前，人形机器人正在高速发展过程中，而其内部的传输标准与介质尚未形成统一共识。单对以太网（Single Pair Ethernet，SPE）正在引起行业的关注。

随着AI大模型与机器人传动控制技术的快速演进，人形机器人正呈现出极为迅猛的发展态势。为获取复杂多变的外部环境信息，人形机器人内部搭载了大量传感器，而可供传输线缆使用的空间极为有限，因此要求线缆在承担供电功能的同时，尽可能实现高密度传输。

海康威视就在一场演讲中表示：“有客户提出对传输线缆的具体要求：外径需控制在4mm以下，并具备屏蔽层及供电功能。传统四对铜缆双绞线加屏蔽层的结构很难将外径压缩至4mm以内，尤其是面对机器人内部强干扰环境时，甚至需要采用双屏蔽设计，同时人形机器人对接口密度的要求也极高。因此，SPE的确是值得深入研究的一种方案。”

无独有偶，事实上当前一些芯片厂商也在推进单对以太网在人形机器人中的应用。今天，EEWorld就来就这项技术进行盘点综述。

人形机器人，为什么也要用单对以太网（SPE）？图1

看明白单对以太网

顾名思义，单对以太网（SPE）通过单对双绞线实现数据传输和供电。相较于传统四对双绞线，SPE优势主要体现在以下三个方面：

第一，成本更低。SPE线材相比传统的四对铜缆双绞线用料更少，连接器中的电路结构也更简单，因此整体传输产品的造价更低；
第二，占用布线空间小、重量更轻。SPE采用更紧凑、更轻量的线缆设计，相比传统RJ45或其他现场总线电缆，显著减轻了重量并减少了布线空间的占用，尤其适合高密度布线需求，有效节省宝贵空间；
第三，简化网络结构。由于SPE基于以太网协议，可以将自动化系统与传统工业网络统一到单一的以太网网络中，从而省去大量网关设备。

单对以太网（SPE）标准体系经历了从车载高速通信到工业长距离传输的多阶段演进，核心由IEEE 802.3工作组持续推进，逐步构建了覆盖10 Mbit/s至10 Gbit/s、传输距离15米至1000米的完整物理层技术体系。各标准针对带宽、距离、供电及抗干扰能力等进行差异化设计，为SPE在工业、汽车、楼宇、过程控制、人形机器人等领域的规模化应用奠定了基础。

SPE的标准化路径呈现出多速率、多场景协同发展的特点。业内普遍认为，2015年发布的IEEE 802.3bw（100BASE-T1）是SPE工程化应用的起点，该标准在单对双绞线上实现了100 Mbit/s全双工传输，并在汽车电子领域得到大规模部署。此后，IEEE相继推出802.3bp（1000BASE-T1）、802.3ch（2.5GBASE-T1）等高速标准，进一步将SPE的数据速率提升至千兆乃至万兆级。

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目前SPE协议标准中较为常见的几种：

10BASE-T1L：即10 Mbit/s单对以太网长距离传输协议。其中“L”代表长距离，采用点对点连接，最大传输距离可达1000米。该协议主要满足工业、楼宇自动化等场景对长距离、低成本网络的需求，是一种远距离、轻量化的传输方案。
10BASE-T1S：即10 Mbit/s单对以太网短距离传输协议。“S”代表短距离。与T1L相比，其传输距离较短，速率也没有提升，但优势在于支持点对多点传输，采用总线拓扑，结构更简单，便于后续设备的扩展。
1000BASE-T1：由IEEE 802.3bp定义，通过单对双绞线实现千兆级高速数据传输，最大传输距离为40米。

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为什么要用单对以太网

随着人形机器人结构愈发精密，自由度（DOF）数量不断提升，搭配AI核心运算单元，可在毫秒级完成环境感知、自主适配与即时响应。研发这类高端人形机器人，亟需一套通信系统，既能支撑海量关节控制单元实现高带宽、实时数据传输，又能适配轻量化、紧凑型整机结构，同时可在工业强干扰环境下稳定可靠运行。

想要实现关节控制高刷新率与最高1000Mbps的超大带宽，必须搭建先进的实时控制系统架构。以太网通信方案凭借统一的高带宽通信标准，简化整机架构，便捷实现多模块间数据互通。

单对以太网（xBASE-T1）技术，搭配菊花链拓扑结构，可大幅缩减线束整体体积，有效降低机器人自重。而轻量化是人形机器人核心设计要点，机身减重能够显著提升机器人机动性、续航能效与运行平衡性。此外，纳秒级精准时间同步、强电磁环境抗干扰等核心研发难题，为人形机器人技术革新与规模化拓展奠定坚实基础。搭配 IEEE 802.1AS 时间同步协议、通用输入输出事件触发等集成功能，可最大限度提升人形机器人环境感知与动作响应精度。

具体来说，单对以太网对人形机器人有如下优势：

第一，精准时间同步。通过高精度时间同步技术，可实现人形机器人分布式系统中所有关节协同有序、精准可控运作。

第二，时间戳技术很适合人形机器人。时间戳技术指的是在数据生成、收发过程中，为各类数据流与事件标注精准时间信息。搭载 IEEE 802.1AS 协议的以太网物理层芯片，可优化人形机器人各子系统实时决策能力与自主适配能力。

第三，通用输入输出端口事件捕捉与触发。高精度通用输入输出端口事件时序控制功能，可强化多电机控制器协同同步能力，满足多子系统联动检测、同步响应类作业需求。

第四，攻克电磁干扰与电磁兼容难题。人形机器人内部空间紧凑，集成大量电子元器件、电机、执行器及功率器件，极易产生电磁干扰，进而影响传感器数据采集与设备控制信号传输，因此电磁兼容设计至关重要。

第五，线缆故障诊断更方便。人形机器人整机封闭性强，内部组件检修难度大，网络故障排查十分繁琐。基于单对以太网搭建的通信网络，可借助物理层芯片内置诊断功能，快速定位网络异常与线缆故障，大幅缩减设备停机检修时长，所有诊断功能均可通过串行管理接口调用。

第六，组网方式更丰富。在人形机器人设备中，单对以太网可采用点对点、菊花链两种组网方式，连接各电机控制器，统筹管控全机各子系统运动动作；行业内普遍采用网关架构，统一管理多组控制器与电机驱动子系统。

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厂商的方案

德州仪器（TI）推出的单对以太网（SPE）物理层（PHY）芯片，可完美攻克上述行业痛点，简化系统架构，保证人形机器人动作流畅执行。

德州仪器全系列单对以太网物理层芯片，引脚封装可兼容旗下100BASE-T1与 1000BASE-T1规格以太网物理层产品。采用单板统一设计，后续产品升级功能配置、扩容传输带宽时，无需改动硬件电路。该设计模式可缩短研发周期、加快产品上市进度，有效削减研发投入成本。

除此之外，TI 单对以太网物理层芯片集成多项高端功能，进一步降低人形机器人研发难度，全面优化系统运行性能。

时间同步方面，TI 两款主流芯片千兆级DP83TG721S-Q1、百兆级DP83TC817S-Q1，均内置IEEE 802.1AS协议，可依托统一时间基准，实现1~15ns级别的超高同步精度；时间戳方面，TI旗下处理器与以太网物理层芯片全系产品在PHY硬件端、处理器内部MAC IP核、处理器软件端三大位置支持时间戳标注方式，DP83TG721S-Q1与DP83TC817S-Q1 两款芯片均可在物理层芯片硬件内完成时间戳标记与事件触发，无需依赖主控控制器；EMI/EMC方面，TI产品搭载电气隔离抗干扰架构，符合工业IEC、CISPR标准。

TI还能够提供整套的解决方案，通过搭配基于Arm的C2000以及TI自研简易开源实时以太网协议（SORTE），最短通信周期可达4微秒，适配搭载单对以太网、追求超高传输吞吐量的Arm架构单片机应用场景。

依托专用工控单片机搭配DP83TC812S-Q1百兆单对以太网物理层芯片评估套件，TI已完成实测验证：多节点实时控制系统可实现60ns超低时序抖动，保障系统运行时序稳定、行为可预判。

人形机器人，为什么也要用单对以太网（SPE）？图6 人形机器人，为什么也要用单对以太网（SPE）？图7

ADI 在人形机器人领域也推出了相应的 SPE 方案：针对10BASE-T1L协议，提供PHY芯片ADIN1100、MACPHY芯片ADIN1110以及2端口交换器ADIN2111；针对 10BASE-T1S 协议，则提供MACPHY与E2B AD330x系列芯片。

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Microchip也在持续推进SPE。Microchip的LAN8650和LAN8651 10BASE-T1S MAC-PHY以太网控制器带有串行外设接口（SPI），在为OT和IT网络的边缘创建传感器、执行器和其他设备时，可以使用基础单片机（MCU），而不是带有媒体访问控制器（MAC）的高级单片机（MCU），从而简化分区架构的部署。这些低速设备不需要自己的通信系统，Microchip的MAC-PHY将它们连接到标准以太网系统中，通过简单的双绞线直接连接到云。

Microchip还拥有LAN867x系列以太网收发器。LAN8670/1/2允许创建多点通信和点对点网络拓扑。它支持至少15 m的点对点链路段，其多点通信模式支持至少八个连接到最长25 m公共混合段的收发器。请注意，这是 IEEE 规范中的“最小最大值”。当系统实现者验证正确的操作时，发现可以支持更多节点和更远距离。收发器由单个3.3 VDC电源供电，并具有集成的1.8 VDC稳压器，其温度范围为-40°C 到+125°C，且符合工业EMC和EMI要求，适用于恶劣环境

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今年5月，Microchip还推出了新一代的LAN878x与LAN888x系列单对以太网（SPE）PHY收发器，提供100BASE-T1、1000BASE-T1及双速率100/1000BASE-T1规格。LAN878x与LAN888x PHY集成硬件级MACsec安全引擎，符合IEEE 802.1AE-2018标准，可提供帧级机密性、数据完整性与回放保护，且不会增加系统延时或软件复杂度。

海康威视也在研发SPE的前端设备和传输设备，包括的产品大致分为五类：SPE 终端设备、单对线缆、信息模块、配线架及跳线。传输产品方面，包括最基本的产品构成为线缆、模块、配线架、跳线，海康威视将这一套产品规范起来，做成了传统综合布线的形式。前端设备方面，海康威视做了一个适配SPE协议的摄像头产品，目前还没有对外销售，还在试制验证阶段。

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单对以太网面临的挑战

事实上，近年来，许多品牌都在积极推广单对以太网（SPE），但实际成效有限。根据海康威视的分享，问题并不在于SPE的产品或协议存在明显缺陷，而在于市场尚未形成成熟的SPE生态。目前，市面上支持SPE的前端和后端设备非常稀缺。因此，尽管SPE具备诸多优势，仍无法被市场广泛接受，尚需等待大量前后端SPE设备的支持与开发。