La comunicación Ethernet de alta velocidad en tiempo real es cada vez más importante para aplicaciones sensibles al tiempo en sistemas de automatización industrial y automotriz.El Ethernet multipar tradicional a menudo no cumple con los requisitos de tales aplicaciones debido a su rendimiento incierto, abultados arneses de cable, y alto consumo de energía.
Una solución más eficaz se basa en el estándar Single Pair Ethernet (SPE), que puede proporcionar una capa física simplificada (PHY),pero pueden plantear desafíos de rendimiento en términos de larga distancia de transmisión de cables y preparación funcional para la seguridad, así como los desafíos de aplicación relacionados con la obtención de recursos de diseño eficaces.Los ingenieros necesitan una solución integral que pueda cumplir con los estrictos requisitos de rendimiento de las redes SPE en tiempo real al tiempo que acelera la velocidad de implementación.
Este artículo describe los requisitos de redes y los problemas relacionados que enfrentan los diseñadores de aplicaciones críticas y sensibles al tiempo, particularmente en los campos industrial y automotriz.Se introdujo la solución SPE de Microchip Technology, incluidos los transceptores Ethernet PHY, los tableros de evaluación y los recursos de diseño relacionados,que pueden ayudar a los diseñadores a abordar los nuevos desafíos que se encuentran en la implementación de sistemas de red SPE compatibles con la norma.
Cómo los requisitos clave de las aplicaciones impulsan la necesidad de Ethernet en tiempo real
El Ethernet en tiempo real está desempeñando un papel cada vez más importante en muchas aplicaciones industriales y automotrices críticas.coordinación de alta precisión entre sensoresEn las aplicaciones automotrices, los controladores y los actuadores requieren protocolos como el Protocolo de Tiempo de Precisión (PTP) IEEE 1588 para admitir redes de comunicación deterministas.incluidos los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS)En el caso de los subsistemas de información, entretenimiento y procesamiento de información a distancia, el intercambio de datos en tiempo real confiable 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 fallos y un mínimo de nerviosismo.La capacidad de mantener la sincronización entre dispositivos es crucial, especialmente en entornos donde el tiempo de respuesta de milisegundos es crítico para el funcionamiento y la seguridad del sistema.Las soluciones de red deben adaptarse al espacio limitado de los subsistemas de red en las unidades de fabricación o en el chasis del vehículo..
Cómo satisfacer los requisitos de las aplicaciones de redes sensibles al tiempo y limitadas en espacio
Según las normas IEEE 802.3bw (100BASE-T1) y IEEE 802.3bp (1000BASE-T1),SPE es adecuado para Gigabit Ethernet (GbE) en aplicaciones industriales y automotrices y se ha convertido en una capa física simplificada alternativa a Ethernet tradicionalEl SPE soporta requisitos estrictos para aplicaciones sensibles al tiempo, al tiempo que reduce la complejidad del cable y los costes del sistema.Los diseñadores de redes basadas en SPE todavía se enfrentan a desafíos en la integración de dispositivos apropiados y la garantía de su preparación funcional para la seguridad.
Microchip Technology's LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY transceiver (Figure 1) and related design resources can help developers address these emerging challenges when implementing standard compliant SPE networks. LAN8872 integra un subsistema PHY completo, que incluye una subcapa de codificación física (PCS), una máquina de estado finito (FSM), un front-end analógico (AFE), un regulador de baja caída (LDO), monitoreo de voltaje,terminación en el chip, y filtrado integrado.
Diagrama esquemático del transceptor PHY 1000BASE-T1 integrado con microchip LAN8872 (clic para agrandar)
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 el chip y filtrado integrado.(Fuente de imagen): Tecnología de microchips)
LAN8872 tiene soporte incorporado para los estándares de protocolo de sincronización de reloj de precisión IEEE 1588-2019 e IEEE 802.1AS-2020,y es totalmente compatible con el puente de audio y vídeo Ethernet en tiempo real (AVB) e IEEE 802.1 normas de red sensible al tiempo (TSN). La función de sincronización 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 baja potencia incluso en ambientes hostiles.
Simplificar el diseño de redes de SPE de baja potencia
LAN8872 adopta la tecnología de ahorro de energía EtherGREEN de Microchip, que permite que el dispositivo alcance un consumo típico de solo 15 microamperios (μ A) en modo de sueño de energía ultrabaja.Este dispositivo admite el mecanismo remoto de sueño y despertar del Comité Técnico 10 (TC10) de la Alianza OPENSu salida INH permite al dispositivo activar o desactivar la fuente de alimentación de la unidad de control electrónico (ECU).LAN8872 está equipado con tecnología de gestión de energía FlexPWR de Microchip, lo que ahorra más energía a través de la tensión de entrada/salida variable y de la fuente de alimentación central.
La alta integración de LAN8872 simplifica aún más el diseño.La combinación de resistencias terminales en el chip y capacidades integradas de filtrado de transmisión hace que la solución sea compacta en tamaño 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 de serie gigabit estándar (SGMII),simplificación de la interfaz con los controladores de acceso a medios Ethernet (MAC) o dispositivos con funcionalidad MAC, incluidos el sistema en chip (SoC), el microcontrolador (MCU) y el conjunto de puertas programables en campo (FPGA) (Figura 2).
Diagrama esquemático del transceptor Sigfox con microchip ATA8520D
Figura 2: Los desarrolladores solo necesitan algunos componentes adicionales para integrar el transceptor LAN8872 PHY en su solución de red SPE. (Fuente de imagen: Microchip Technology)
LAN8872 cumple con la norma IEEE 802.3bp-2016 estándar y está diseñado para proporcionar rendimiento de gigabit a través de un solo par de cables, al tiempo que admite la resolución de problemas en redes industriales y automotrices críticasEste dispositivo es útil para el diagnóstico de redes y sus características incluyen detección de defectos de cable de corto circuito o circuito abierto, indicador de calidad de señal del receptor (SQI), protección contra el sobrecalentamiento,Protección contra bajo voltaje, soporte de interrupción de estado completo y varios modos de ciclo y prueba.
Acelerar el diseño de soluciones SPE basadas en LAN8872
Para acelerar el diseño y el desarrollo, Microchip proporciona tableros de evaluación para satisfacer los requisitos de diferentes desarrolladores.,La placa de evaluación EVB-LAN8870-MC EV75E52A de Microchip (Figura 3) proporciona un convertidor de medios completo que puede unir 1000BASE-T1 y Ethernet Gigabit estándar.Los desarrolladores solo necesitan conectar un cable Ethernet CAT5 desde el puerto GbE a la interfaz RJ-45 de la placa de circuito, y luego conecta un cable de par retorcido de la red SPE a la interfaz Ethernet T1 de la placa de circuito.