Innowacyjny układ MAC-PHY dla jednoparowego Ethernetu o małym poborze mocy

Poniedziałek, 14 czerwca 2021 | Technika

Artykuł pokazuje, w jaki sposób można tworzyć rozbudowane instalacje sieciowe w standardzie jednoparowego Ethernetu 10BASE-T1L za pomocą nowych układów transceiverów MAC-PHY firmy Analog Devices. Zawiera również szczegółowe informacje, kiedy używać wersji MAC-PHY, a kiedy wystarcza jedynie PHY i jak te rozwiązania spełniają współczesne wymagania nowoczesnych instalacji produkcyjnych i budynkowych połączonych z Ethernetem.

Innowacyjny układ MAC-PHY dla jednoparowego Ethernetu o małym poborze mocy

Ethernet w standardzie 10BASET1L, a więc działający na pojedynczej parze (jednej skrętce) przewodów (single-pair Ethernet) szybko rozwija się w aplikacjach automatyki procesów przemysłowych, w fabrykach i instalacjach budynkowych, stając się korzystnym cenowo rozwiązaniem, gdy wymagane jest podłączenie większej liczby urządzeń do sieci na jednym dużym obiekcie. Gdy większość urządzeń zostanie spięta w sieć, bardziej rozbudowane zbiory danych będą mogły być poddawane analizie przez systemy zarządzania na wyższych poziomach, co pozwala na znaczną poprawę produktywności przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów operacyjnych i zużycia energii.

Połączenie praktycznie wszystkich urządzeń technicznych w budynku lub w zakładzie do sieci jest kuszącą perspektywą, ale drogą i trudną w realizacji z uwagi na koszt okablowania, małe wymiary czujników oraz aktuatorów i ograniczoną dostępną przestrzeń na takie instalacje. Poza tym na rynku jest wiele zaawansowanych mikrokontrolerów nadających się do aplikacji małej mocy i ze znacznymi zasobami pamięci do zastosowań w czujnikach i elementach wykonawczych. Jednak większość tych procesorów ma jedną wspólną cechę – bez zaimplementowanego adresu sieciowego w MAC do Ethernetu nie obsługują one interfejsów MII (Media Independent Interface), RMII lub RGMII zapewniających niezależność od medium transmisyjnego. Do tych procesorów nie można podłączyć tradycyjnego układu realizującego warstwę fizyczną sieci (PHY), bo całość musi gdzieś mieć blok MAC. Zwykłe i tanie mikrokontrolery takiego bloku nie mają.

Dlaczego warto skorzystać z układu MAC-PHY?

Aby umożliwić komunikację przez jednoparowy Ethernet na dużej odległości (do 1 km) i przy dużej liczbie urządzeń małej mocy dołączonych do sieci, takich z obszaru IoT, dobrym pomysłem jest użycie wydzielonego do osobnego układu scalonego interfejsu sieciowego w standardzie 10BASE-T1L z wbudowanymi blokami MAC-PHY. Dzięki niemu komunikacja z procesorem jest realizowana za pośrednictwem linii cyfrowych SPI, co zmniejsza obciążenie procesora wymagane do realizacji komunikacji i eliminuje potrzebę użycia mikrokontrolera ze zintegrowanym blokiem MAC, a więc pozwala na użycie tańszego i praktycznie dowolnego układu tego typu. Funkcjonalność realizowana przez blok MAC jest w tym przypadku zintegrowana (zawarta) z PHY obsługującym jednoparowy Ethernet. Użycie jednostki MAC-PHY zapewnia projektantom urządzeń większą elastyczność i możliwość wyboru procesora, w tym skorzystanie z wersji o bardzo małym poborze mocy lub takich, które są znane i firma ma do nich narzędzia lub wcześniejszy dorobek intelektualny.

MAC razem z PHY obsługującym jednoparowy Ethernet pozwala na zoptymalizowanie aplikacji dołączanych do sieci za pośrednictwem tego, co w przemyśle procesowym określa się jako Ethernet-APL. W aplikacjach inteligentnego budynku (HVAC, systemy przeciwpożarowe, kontrola dostępu, kamery IP, systemy wind i monitorowania stanu) MAC-PHY umożliwi podłączenie większej liczby urządzeń do Ethernetu (rys. 1).

Chip MAC-PHY dla standardu 10BASE-T1L znacznie zmniejsza złożoność urządzeń dzięki możliwości fi ltrowania za jego pomocą pakietów sieciowych

Zaawansowane filtrowanie pakietów

Integracja bloku MAC razem z PHY do realizacji jednoparowego Ethernetu zapewnia nowe możliwości optymalizacji komunikacji w sieci. 10BASE-T1L i MAC-PHY realizujący filtrowanie pakietów znacznie zmniejsza obciążenie mikrokontrolera związane z obsługą ruchu rozgłoszeniowego i komunikacji. Kluczem jest filtrowanie pakietów zgodne z docelowym adresem MAC urządzenia. Co więcej, MAC-PHY może obsługiwać filtrowanie przy użyciu maksymalnie 16 adresów MAC unicast lub multicast. Ponadto dla dwóch adresów MAC obsługiwane jest maskowanie. Daje to dużą swobodę filtrowania adresów urządzeń oraz możliwość korzystania z adresów typu multicast, takich jak LLDP (Link Layer Discovery Protocol). Obsługa kolejki o wyższym priorytecie umożliwia nadanie priorytetu niektórym pakietom, a tym samym uzyskać mniejsze opóźnienia i większą pewność komunikacji. Priorytet ramki można zidentyfikować za pomocą tablicy filtrowania adresów MAC. Na przykład, wiadomości rozgłoszeniowe (broadcast) mogą być wprowadzane do kolejki o niższym priorytecie, a unicast przesyłane do kolejki o wyższym priorytecie, aby zapobiec blokadzie komunikacji przy gwałtownym wzroście ruchu w sieci. Blok MAC gromadzi również statystyki, aby pomóc w monitorowaniu ruchu sieciowego i jakości łącza (patrz rys. 1).

Blok MAC obsługuje również synchronizację czasu zgodną z IEEE 1588, a zatem także 802.1AS wymaganą w automatyzacji procesów przemysłowych. Układ MAC-PHY zapewnia obsługę zsynchronizowanego licznika, oznaczanie stemplem czasu odebranych komunikatów i przechwytywanie znacznika czasu dla wysyłanych. To znacznie zmniejsza złożoność oprogramowania w aplikacji, ponieważ nie jest potrzebne dalsze wsparcie sprzętowe do implementacji synchronizacji czasu poza samym układem MAC-PHY. Jednostka MAC może generować wyjściowy przebieg zgodny czasowo z zsynchronizowanym licznikiem, który może być używany do synchronizacji zewnętrznych operacji na poziomie aplikacji, np. taktowania. Interfejs SPI obsługuje interfejs szeregowy Open Alliance SPI – nowy i bardzo wydajny protokół SPI zaprojektowany specjalnie do użytku z MAC-PHY.

Kiedy używać 10BASE-T1L MAC-PHY i 10BASE-T1L PHY

Zarówno PHY dla jednoparowego Ethernetu, jak i MAC-PHY zapewniają znaczące korzyści w różnych przypadkach aplikacyjnych. W zastosowaniach, gdzie pobór mocy jest bardzo istotny, MAC-PHY zapewni lepsze rezultaty oraz większą elastyczność w wyborze mikroprocesora hosta. W tym przypadku można użyć mikrokontrolerów efektywnych energetycznie, które z reguły nie mają zintegrowanego bloku MAC z adresem sieciowym. Gdy obsługa Ethernetu jest dodawana podczas modernizacji do istniejącego urządzenia, zintegrowany MAC-PHY pozwala na łatwą realizację tego procesu i z reguły dzięki temu, że do łączności w sieci wykorzystywany jest interfejs SPI, nie ma konieczności przejścia na "większy" procesor ze zintegrowanym MAC.

W zastosowaniach, gdzie liczy się duża wydajność, korzystne może być użycie zaawansowanego procesora z wbudowanym blokiem MAC. Wówczas 10BASE- -T1L PHY z interfejsami MII, RMII i RGMII zapewni dobre rezultaty. W tym przypadku następuje ponowne wykorzystanie istniejących sterowników interfejsu MAC w celu dodania Ethernetu (patrz rys. 2).

Rys. 2. Zintegrowany w jednym chipie MAC-PHY lub PHY i mikrokontroler z MAC w jednoparowym Ethernecie

Zwiększona elastyczność aplikacji

Analog Devices proponuje klientom oba opisywane rozwiązania w ramach dwóch układów scalonych obsługujących 10BASE-T1L: PHY (ADIN1100) i MAC-PHY (ADIN1110). Projektanci mają dzięki temu większą elastyczność oraz mogą przygotować wielowariantowe projekty urządzeń, aby sprostać przyszłym wymaganiom. Kontrolery te dzięki małemu poborowi mocy umożliwiają stworzenie bezpiecznych aplikacji zasilanych z baterii lub przez skrętkę z przemysłowego switcha przeznaczonych do pracy w strefach niebezpiecznych z użyciem topologii sieci typu trunk-and-spur, a więc takiej, gdzie komunikacja jest najpierw prowadzona magistralą do odległych rejonów instalacji (trunk), a potem z użyciem switchy kierowana dalej, już do komponentów sieciowych (spur).

Zapewnienie komunikacji w sieci rozległej w zakładzie przemysłowym może być rozwiązana dwojako. Urządzenia o większej mocy, w tym przepływomierze, będą korzystały z wydajnego procesora ze zintegrowanym MAC oraz PHY 10BASE-T1L. Natomiast te pobierające mniejszą moc, np. czujniki temperatury oparte na mikrokontrolerze bez bloku MAC, będą używać MAC-PHY do łączności Ethernet przez interfejs SPI (patrz rys. 3).

Rys. 3. Topologia sieci typu trunk-and-spur (z kablem magistralowym, od którego realizowane są odczepy do poszczególnych odbiorników) do automatyzacji procesów za pomocą jednoparowego Ethernetu

Porównanie kluczowych funkcji obu rozwiązań

Układ ADIN1110 (MAC-PHY) zapewnia komunikację przez Ethernet przy poborze mocy jedynie 42 mW. Obsługuje interfejs szeregowy SPI zgodny z Open Alliance 10BASE-T1x w trybie pełnego dupleksu przy taktowaniu 25 MHz. Z kolei ADIN1100 (PHY) zapewnia komunikację za pośrednictwem interfejsów MII, RMII i RGMII MAC z procesorem hosta przy poborze mocy tylko 39 mW (patrz tabela 1). Od strony wejścia oba produkty są oparte na tym samym obwodzie transceivera pełnodupleksowego, realizującego komunikację punkt-punkt z modulacją PAM 3 przy szybkości przesyłania symboli 7,5 MBd z kodowaniem 4B3T. 10BASE-T1L obsługuje dwa tryby amplitudy: 2,4 Vpp dla kabla do 1000 m oraz 1,0 Vpp dla krótkich odcinków. Możliwość pracy z napięciem 1,0 V pozwala na zastosowania tych układów również w środowisku zagrożonym wybuchem i spełnia surowe ograniczenia maksymalnego zużycia energii.

Jednoparowy Ethernet (10BASE-T1L), w którym pojedyncza skrętka wykorzystywana jest do przesyłania danych i do dostarczania zasilania (Engineered Power / PoDL / SPoE) na dystansie do 1 km, jest bardzo perspektywicznym rozwiązaniem do wielu aplikacji nie tylko w przemyśle i automatyce budynkowej. Nowe układy ADIN1100 i ADIN1110 z rodziny produktów ADI Chronous realizujące warstwę fizyczną komunikacji (PHY) oraz wersje ze zintegrowanym dodatkowo blokiem MAC przyspieszą i ułatwią znacząco tworzenie efektywnych energetycznie rozwiązań klasy IoT i IIoT.