Η επικοινωνία Ethernet σε πραγματικό χρόνο υψηλής ταχύτητας γίνεται ολοένα και πιο σημαντική για εφαρμογές ευαίσθητες στον χρόνο σε βιομηχανικούς αυτοματισμούς και συστήματα αυτοκινήτων. Το παραδοσιακό Ethernet πολλαπλών ζευγών συχνά δεν ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις τέτοιων εφαρμογών λόγω της αβέβαιης απόδοσής του, των ογκωδών καλωδίων καλωδίων και της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας.
Μια πιο αποτελεσματική λύση βασίζεται στο πρότυπο Single Pair Ethernet (SPE), το οποίο μπορεί να παρέχει ένα απλοποιημένο φυσικό επίπεδο (PHY), αλλά μπορεί να δημιουργήσει προκλήσεις απόδοσης όσον αφορά τη μεγάλη απόσταση μετάδοσης καλωδίων και την ετοιμότητα λειτουργικής ασφάλειας, καθώς και προκλήσεις υλοποίησης που σχετίζονται με την απόκτηση αποτελεσματικών πόρων σχεδιασμού. Οι μηχανικοί χρειάζονται μια ολοκληρωμένη λύση που να μπορεί να καλύψει τις αυστηρές απαιτήσεις απόδοσης των δικτύων SPE σε πραγματικό χρόνο, επιταχύνοντας παράλληλα την ταχύτητα υλοποίησης.
Αυτό το άρθρο περιγράφει τις απαιτήσεις δικτύωσης και τα σχετικά ζητήματα που αντιμετωπίζουν οι σχεδιαστές κρίσιμων, ευαίσθητων στο χρόνο εφαρμογών, ιδιαίτερα στους τομείς της βιομηχανίας και της αυτοκινητοβιομηχανίας. Στη συνέχεια, παρουσιάστηκε η λύση SPE της Microchip Technology, που περιλαμβάνει πομποδέκτες Ethernet PHY, πίνακες αξιολόγησης και σχετικούς πόρους σχεδιασμού, οι οποίοι μπορούν να βοηθήσουν τους σχεδιαστές να αντιμετωπίσουν τις νέες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν κατά την εφαρμογή συμβατών με τα πρότυπα συστημάτων δικτύου SPE.
Πώς βασικές απαιτήσεις εφαρμογών οδηγούν την ανάγκη για Ethernet σε πραγματικό χρόνο
Το Ethernet σε πραγματικό χρόνο διαδραματίζει ολοένα και πιο σημαντικό ρόλο σε πολλές κρίσιμες βιομηχανικές και αυτοκινητοβιομηχανίες εφαρμογές. Στο Industrial Internet of Things (IIoT) και στα συστήματα βιομηχανικού ελέγχου, ο συντονισμός υψηλής ακρίβειας μεταξύ αισθητήρων, ελεγκτών και ενεργοποιητών απαιτεί πρωτόκολλα όπως το IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) για την υποστήριξη ντετερμινιστικών δικτύων επικοινωνίας. Σε εφαρμογές αυτοκινήτων, συμπεριλαμβανομένων των προηγμένων συστημάτων υποβοήθησης οδηγού (ADAS), του infotainment και των υποσυστημάτων απομακρυσμένης επεξεργασίας πληροφοριών, η αξιόπιστη ανταλλαγή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο απαιτεί την ικανότητα αντοχής σε ακραίες συνθήκες στο περιβάλλον του οχήματος.
Είτε στο εργαστήριο του εργοστασίου είτε στο αυτοκίνητο, τα ευαίσθητα στο χρόνο δίκτυα πρέπει να εξασφαλίζουν χαμηλό και περιορισμένο λανθάνοντα χρόνο, υψηλή ανοχή σφαλμάτων και ελάχιστο jitter. Η ικανότητα διατήρησης του συγχρονισμού μεταξύ συσκευών είναι ζωτικής σημασίας, ειδικά σε περιβάλλοντα όπου ο χρόνος απόκρισης του χιλιοστού του δευτερολέπτου είναι κρίσιμος για τη λειτουργία και την ασφάλεια του συστήματος. Ταυτόχρονα, οι δικτυακές λύσεις πρέπει να προσαρμόζονται στον περιορισμένο χώρο των υποσυστημάτων δικτύου σε μονάδες παραγωγής ή σασί οχημάτων.
Πώς να ανταποκριθείτε στις απαιτήσεις των χρονικά ευαίσθητων και περιορισμένου χώρου εφαρμογών για δίκτυα
Σύμφωνα με τα πρότυπα IEEE 802.3bw (100BASE-T1) και IEEE 802.3bp (1000BASE-T1), το SPE είναι κατάλληλο για Gigabit Ethernet (GbE) σε βιομηχανικές και αυτοκινητοβιομηχανίες εφαρμογές και έχει γίνει ένα απλοποιημένο φυσικό επίπεδο εναλλακτικό του παραδοσιακού Ethernet. Η SPE υποστηρίζει αυστηρές απαιτήσεις για εφαρμογές ευαίσθητες στο χρόνο, ενώ μειώνει την πολυπλοκότητα των καλωδίων και το κόστος του συστήματος. Ωστόσο, παρά αυτά τα πλεονεκτήματα, οι σχεδιαστές δικτύων που βασίζονται σε SPE εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν προκλήσεις όσον αφορά την ενσωμάτωση των κατάλληλων συσκευών και τη διασφάλιση της ετοιμότητας λειτουργικής ασφάλειας.
Ο πομποδέκτης LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY της Microchip Technology (Εικόνα 1) και οι σχετικοί πόροι σχεδιασμού μπορούν να βοηθήσουν τους προγραμματιστές να αντιμετωπίσουν αυτές τις αναδυόμενες προκλήσεις κατά την εφαρμογή δικτύων SPE που συμμορφώνονται με τα πρότυπα. Το LAN8872 ενσωματώνει ένα πλήρες υποσύστημα PHY, συμπεριλαμβανομένου του υποστρώματος φυσικής κωδικοποίησης (PCS), της μηχανής πεπερασμένης κατάστασης (FSM), του αναλογικού μπροστινού τμήματος (AFE), του ρυθμιστή χαμηλής πτώσης (LDO), της παρακολούθησης τάσης, του τερματισμού στο τσιπ και του ενσωματωμένου φιλτραρίσματος.
Σχηματικό διάγραμμα του ενσωματωμένου πομποδέκτη 1000BASE-T1 PHY Microchip LAN8872 (κάντε κλικ για μεγέθυνση)
Εικόνα 1: Το LAN8872 παρέχει έναν ενσωματωμένο πομποδέκτη PHY 1000BASE-T1, που περιλαμβάνει PCS, ρυθμιστή LDO, παρακολούθηση τάσης AFE, FSM, Ολοκληρωμένες λειτουργίες, όπως ακροδέκτες στο τσιπ και ενσωματωμένο φιλτράρισμα. (Πηγή εικόνας: Microchip Technology)
Το LAN8872 έχει ενσωματωμένη υποστήριξη για τα πρότυπα πρωτοκόλλου συγχρονισμού ρολογιού ακριβείας IEEE 1588-2019 και IEEE 802.1AS-2020 και είναι πλήρως συμβατό με γεφύρωση ήχου και εικόνας Ethernet σε πραγματικό χρόνο (AVB) και IEEE 802.1 standard ευαίσθητου δικτύου (TSEN). Η ντετερμινιστική λειτουργία χρονισμού του LAN8872 μπορεί να βοηθήσει τους προγραμματιστές να διατηρήσουν στενό συγχρονισμό μεταξύ πολλαπλών συστημάτων και η λειτουργία διαχείρισης ενέργειας μπορεί να καλύψει τη ζήτηση των ανθρώπων για ισχυρές συνδέσεις χαμηλής κατανάλωσης ακόμα και σε σκληρά περιβάλλοντα.
Απλοποιήστε τη σχεδίαση δικτύου SPE χαμηλής κατανάλωσης
Το LAN8872 υιοθετεί την τεχνολογία εξοικονόμησης ενέργειας EtherGREEN της Microchip, η οποία επιτρέπει στη συσκευή να επιτύχει τυπική κατανάλωση μόνο 15 μικροαμπέρ (μ A) σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας εξαιρετικά χαμηλής ισχύος. Αυτή η συσκευή υποστηρίζει τον απομακρυσμένο μηχανισμό ύπνου και αφύπνισης του προτύπου OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10) και μπορεί να αναγνωρίσει αιτήματα ύπνου και να ανταποκριθεί στην παλμική αφύπνιση WAKE-IN. Η έξοδος INH επιτρέπει στη συσκευή να ενεργοποιεί ή να απενεργοποιεί την τροφοδοσία της ηλεκτρονικής μονάδας ελέγχου (ECU). Το LAN8872 είναι εξοπλισμένο με την τεχνολογία διαχείρισης ενέργειας FlexPWR της Microchip, η οποία εξοικονομεί περαιτέρω ενέργεια μέσω μεταβλητής τάσης I/O και τροφοδοσίας πυρήνα.
Η υψηλή ενσωμάτωση του LAN8872 απλοποιεί περαιτέρω τη σχεδίαση. Εκτός από τις εκτεταμένες λειτουργίες ενσωμάτωσης, ο συνδυασμός αντιστάσεων ακροδεκτών στο τσιπ και ενσωματωμένων δυνατοτήτων φιλτραρίσματος μετάδοσης καθιστά τη λύση συμπαγή σε μέγεθος και χαμηλή ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (EMI). Για ενσωμάτωση σε επίπεδο συστήματος, το LAN8872 διαθέτει έξοδο ρολογιού αναφοράς και τυπική σειριακή διεπαφή ανεξάρτητη μέσων gigabit (SGMII), απλοποιώντας τη διασύνδεση με ελεγκτές πρόσβασης μέσων Ethernet (MAC) ή συσκευές με λειτουργικότητα MAC, συμπεριλαμβανομένου συστήματος σε τσιπ (SoC), μικροελεγκτή (MCU) και προγραμματιζόμενης πύλης πεδίου (Figure Figure).
Σχηματικό διάγραμμα πομποδέκτη Sigfox Microchip ATA8520D
Εικόνα 2: Οι προγραμματιστές χρειάζονται μόνο μερικά πρόσθετα στοιχεία για να ενσωματώσουν τον πομποδέκτη LAN8872 PHY στη λύση δικτύου SPE τους. (Πηγή εικόνας: Microchip Technology)
Το LAN8872 συμμορφώνεται με το πρότυπο IEEE 802.3bp-2016 και έχει σχεδιαστεί για να παρέχει απόδοση gigabit μέσω ενός μόνο ζεύγους καλωδίων ενώ υποστηρίζει την αντιμετώπιση προβλημάτων σε κρίσιμα βιομηχανικά δίκτυα και δίκτυα αυτοκινήτων. Αυτή η συσκευή είναι χρήσιμη για τη διάγνωση δικτύου και τα χαρακτηριστικά της περιλαμβάνουν ανίχνευση ελαττώματος καλωδίου βραχυκυκλώματος ή ανοιχτού κυκλώματος, ένδειξη ποιότητας σήματος δέκτη (SQI), προστασία υπερθέρμανσης, προστασία υπότασης, υποστήριξη διακοπής πλήρους κατάστασης και διάφορες λειτουργίες επαναφοράς και δοκιμής.
Επιταχύνετε τη σχεδίαση λύσεων SPE που βασίζονται στο LAN8872
Προκειμένου να επιταχυνθεί ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη, η Microchip παρέχει πίνακες αξιολόγησης που ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις διαφορετικών προγραμματιστών. Για τη διευκόλυνση της δοκιμής και της επικύρωσης σχεδιασμού σε επίπεδο συστήματος, η πλακέτα αξιολόγησης EV75E52A EVB-LAN8870-MC της Microchip (Εικόνα 3) παρέχει έναν πλήρη μετατροπέα πολυμέσων που μπορεί να γεφυρώσει το 1000BASE-T1 και το τυπικό Gigabit Ethernet. Οι προγραμματιστές χρειάζεται μόνο να συνδέσουν ένα καλώδιο Ethernet CAT5 από τη θύρα GbE στη διασύνδεση RJ-45 της πλακέτας κυκλώματος και, στη συνέχεια, να συνδέσουν ένα καλώδιο συνεστραμμένου ζεύγους από το δίκτυο SPE στη διεπαφή Ethernet αυτοκινήτου T1 της πλακέτας κυκλώματος.