La comunicación Ethernet de alta velocidad en tiempo real es cada vez más importante para aplicaciones sensibles al tiempo en automatización industrial y sistemas automotrices. La Ethernet multipar tradicional a menudo no cumple con los requisitos de dichas aplicaciones debido a su rendimiento incierto, mazos de cables voluminosos y alto consumo de energía.
Una solución más eficaz se basa en el estándar Single Pair Ethernet (SPE), que puede proporcionar una capa física (PHY) simplificada, pero puede plantear desafíos de rendimiento en términos de larga distancia de transmisión por cable y disponibilidad de seguridad funcional, así como desafíos de implementación relacionados con la obtención de recursos de diseño efectivos. Los ingenieros necesitan una solución integral que pueda cumplir con los estrictos requisitos de rendimiento de las redes SPE en tiempo real y al mismo tiempo acelerar la velocidad de implementación.
Este artículo describe los requisitos de red y los problemas relacionados que enfrentan los diseñadores de aplicaciones críticas y urgentes, particularmente en los campos industrial y automotriz. Luego, se presentó la solución SPE de Microchip Technology, que incluye transceptores Ethernet PHY, placas de evaluación y recursos de diseño relacionados, que pueden ayudar a los diseñadores a abordar los nuevos desafíos encontrados en la implementación de sistemas de red SPE que cumplen con los estándares.
Cómo los requisitos clave de las aplicaciones impulsan la necesidad de Ethernet en tiempo real
Ethernet en tiempo real está desempeñando un papel cada vez más importante en muchas aplicaciones industriales y automotrices críticas. En el Internet industrial de las cosas (IIoT) y los sistemas de control industrial, la coordinación de alta precisión entre sensores, controladores y actuadores requiere protocolos como el Protocolo de tiempo de precisión (PTP) IEEE 1588 para admitir redes de comunicación deterministas. En aplicaciones automotrices, incluidos los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), infoentretenimiento y subsistemas de procesamiento remoto de información, el intercambio de datos confiable en tiempo real requiere la capacidad de soportar condiciones extremas en el entorno del vehículo.
Ya sea en el taller de la fábrica o en el automóvil, las redes sensibles al tiempo deben garantizar una latencia baja y limitada, una alta tolerancia a fallas y una fluctuación mínima. La capacidad de mantener la sincronización entre dispositivos es crucial, especialmente en entornos donde el tiempo de respuesta de milisegundos es fundamental para el funcionamiento y la seguridad del sistema. Al mismo tiempo, las soluciones de red deben adaptarse al espacio limitado de los subsistemas de red en las unidades de fabricación o chasis de vehículos.
Cómo cumplir con los requisitos de aplicaciones de redes sensibles al tiempo y con espacio limitado
Según los estándares IEEE 802.3bw (100BASE-T1) e IEEE 802.3bp (1000BASE-T1), SPE es adecuado para Gigabit Ethernet (GbE) en aplicaciones industriales y automotrices y se ha convertido en una alternativa de capa física simplificada a Ethernet tradicional. SPE admite requisitos estrictos para aplicaciones urgentes y al mismo tiempo reduce la complejidad del cable y los costos del sistema. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, los diseñadores de redes basados en SPE todavía enfrentan desafíos a la hora de integrar los dispositivos apropiados y garantizar su preparación funcional en materia de seguridad.
El transceptor PHY SPE LAN8872 1000BASE-T1 de Microchip Technology (Figura 1) y los recursos de diseño relacionados pueden ayudar a los desarrolladores a abordar estos desafíos emergentes al implementar redes SPE compatibles con los estándares. LAN8872 integra un subsistema PHY completo, que incluye subcapa de codificación física (PCS), máquina de estados finitos (FSM), interfaz analógica (AFE), regulador de baja caída (LDO), monitoreo de voltaje, terminación en chip y filtrado integrado.
Diagrama esquemático del transceptor PHY 1000BASE-T1 integrado Microchip LAN8872 (haga clic para ampliar)
Figura 1: LAN8872 proporciona un transceptor PHY 1000BASE-T1 integrado, que incluye PCS, regulador LDO, monitoreo de voltaje AFE, FSM, funciones completas como terminales en chip y filtrado integrado. (Fuente de la imagen: Tecnología Microchip)
LAN8872 tiene soporte integrado para los estándares de protocolo de sincronización de reloj de precisión IEEE 1588-2019 e IEEE 802.1AS-2020, y es totalmente compatible con los estándares de puente de audio y video Ethernet (AVB) en tiempo real y de red sensible al tiempo (TSN) IEEE 802.1. La función de temporización determinista de LAN8872 puede ayudar a los desarrolladores a mantener una estrecha sincronización entre múltiples sistemas, y su función de gestión de energía puede satisfacer la demanda de las personas de conexiones robustas de bajo consumo incluso en entornos hostiles.
Simplifique el diseño de redes SPE de bajo consumo
LAN8872 adopta la tecnología de ahorro de energía EtherGREEN de Microchip, que permite que el dispositivo alcance un consumo típico de sólo 15 microamperios (μ A) en modo de suspensión de energía ultrabaja. Este dispositivo admite el mecanismo remoto de suspensión y activación del estándar OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10) y puede reconocer solicitudes de suspensión y responder a la activación por pulso WAKE-IN. Su salida INH permite al dispositivo habilitar o deshabilitar la fuente de alimentación de la unidad de control electrónico (ECU). LAN8872 está equipado con la tecnología de administración de energía FlexPWR de Microchip, que ahorra aún más energía a través de E/S variables y voltaje de fuente de alimentación central.
La alta integración de LAN8872 simplifica aún más el diseño. Además de sus amplias funciones de integración, la combinación de resistencias terminales en chip y capacidades integradas de filtrado de transmisión hacen que la solución sea de tamaño compacto y baja en interferencias electromagnéticas (EMI). Para la integración a nivel de sistema, LAN8872 tiene una salida de reloj de referencia y una interfaz independiente de medios gigabit serie estándar (SGMII), lo que simplifica la interfaz con controladores de acceso a medios Ethernet (MAC) o dispositivos con funcionalidad MAC, incluido el sistema en chip (SoC), el microcontrolador (MCU) y la matriz de puertas programables en campo (FPGA) (Figura 2).
Diagrama esquemático del transceptor Microchip ATA8520D Sigfox
Figura 2: Los desarrolladores solo necesitan unos pocos componentes adicionales para integrar el transceptor PHY LAN8872 en su solución de red SPE. (Fuente de la imagen: Tecnología Microchip)
LAN8872 cumple con el estándar IEEE 802.3bp-2016 y está diseñado para proporcionar rendimiento gigabit a través de un solo par de cables al tiempo que admite la resolución de problemas en redes industriales y automotrices críticas. Este dispositivo es útil para el diagnóstico de la red y sus características incluyen detección de defectos en el cable de circuito abierto o cortocircuito, indicador de calidad de la señal del receptor (SQI), protección contra sobrecalentamiento, protección contra subtensión, soporte de interrupción de estado completo y varios modos de prueba y bucle invertido.