Hochgeschwindigkeits-Echtzeit-Ethernet-Kommunikation wird für zeitkritische Anwendungen in der industriellen Automatisierung und in Automobilsystemen immer wichtiger. Herkömmliches Multi-Pair-Ethernet erfüllt aufgrund seiner unsicheren Leistung, der sperrigen Kabelbäume und des hohen Stromverbrauchs oft nicht die Anforderungen solcher Anwendungen.
Eine effektivere Lösung basiert auf dem Single Pair Ethernet (SPE)-Standard, der eine vereinfachte physikalische Schicht (PHY) bereitstellen kann, jedoch möglicherweise Leistungsprobleme im Hinblick auf lange Kabelübertragungsentfernungen und funktionale Sicherheitsbereitschaft sowie Implementierungsprobleme im Zusammenhang mit der Beschaffung effektiver Designressourcen mit sich bringt. Ingenieure benötigen eine umfassende Lösung, die die strengen Leistungsanforderungen von Echtzeit-SPE-Netzwerken erfüllen und gleichzeitig die Implementierungsgeschwindigkeit beschleunigen kann.
In diesem Artikel werden die Netzwerkanforderungen und damit verbundenen Probleme beschrieben, mit denen Entwickler kritischer, zeitkritischer Anwendungen, insbesondere im Industrie- und Automobilbereich, konfrontiert sind. Anschließend wurde die SPE-Lösung von Microchip Technology vorgestellt, die Ethernet-PHY-Transceiver, Evaluierungsplatinen und zugehörige Designressourcen umfasst und Designern dabei helfen kann, neue Herausforderungen zu meistern, die bei der Implementierung standardkonformer SPE-Netzwerksysteme auftreten.
Wie wichtige Anwendungsanforderungen den Bedarf an Echtzeit-Ethernet steigern
Echtzeit-Ethernet spielt in vielen kritischen Industrie- und Automobilanwendungen eine immer wichtigere Rolle. Im industriellen Internet der Dinge (IIoT) und in industriellen Steuerungssystemen erfordert die hochpräzise Koordination zwischen Sensoren, Controllern und Aktoren Protokolle wie das IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) zur Unterstützung deterministischer Kommunikationsnetzwerke. In Automobilanwendungen, einschließlich fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Infotainment und Subsystemen für die Ferninformationsverarbeitung, erfordert ein zuverlässiger Datenaustausch in Echtzeit die Fähigkeit, extremen Bedingungen in der Fahrzeugumgebung standzuhalten.
Ob in der Werkshalle oder im Auto, zeitkritische Netzwerke müssen eine geringe und begrenzte Latenz, hohe Fehlertoleranz und minimalen Jitter gewährleisten. Die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung der geräteübergreifenden Synchronisierung ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere in Umgebungen, in denen die Reaktionszeit im Millisekundenbereich für den Systembetrieb und die Sicherheit von entscheidender Bedeutung ist. Gleichzeitig müssen sich Netzwerklösungen an den begrenzten Platz von Netzwerksubsystemen in Fertigungseinheiten oder Fahrzeugchassis anpassen.
So erfüllen Sie die Anforderungen zeitkritischer und platzbegrenzter Anwendungen für Netzwerke
Gemäß den Standards IEEE 802.3bw (100BASE-T1) und IEEE 802.3bp (1000BASE-T1) eignet sich SPE für Gigabit Ethernet (GbE) in Industrie- und Automobilanwendungen und hat sich zu einer vereinfachten Alternative für die physikalische Schicht zum herkömmlichen Ethernet entwickelt. SPE unterstützt strenge Anforderungen für zeitkritische Anwendungen und reduziert gleichzeitig die Kabelkomplexität und die Systemkosten. Trotz dieser Vorteile stehen SPE-basierte Netzwerkdesigner jedoch immer noch vor der Herausforderung, geeignete Geräte zu integrieren und ihre funktionale Sicherheitsbereitschaft sicherzustellen.
Der LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY-Transceiver (Abbildung 1) von Microchip Technology und zugehörige Designressourcen können Entwicklern dabei helfen, diese neuen Herausforderungen bei der Implementierung standardkonformer SPE-Netzwerke zu bewältigen. LAN8872 integriert ein komplettes PHY-Subsystem, einschließlich Physical Coding Sublayer (PCS), Finite State Machine (FSM), Analog Front-End (AFE), Low Dropout (LDO) Regler, Spannungsüberwachung, On-Chip-Abschluss und integrierte Filterung.
Schematische Darstellung des integrierten 1000BASE-T1 PHY-Transceivers Microchip LAN8872 (zum Vergrößern anklicken)
Abbildung 1: LAN8872 bietet einen integrierten 1000BASE-T1 PHY-Transceiver, einschließlich PCS, LDO-Regler, Spannungsüberwachung AFE、FSM、 Komplette Funktionen wie On-Chip-Terminals und integrierte Filterung. (Bildquelle: Microchip Technology)
LAN8872 verfügt über integrierte Unterstützung für die Präzisionsuhrsynchronisationsprotokollstandards IEEE 1588-2019 und IEEE 802.1AS-2020 und ist vollständig kompatibel mit den Echtzeit-Ethernet-Audio- und Video-Bridging-Standards (AVB) und den zeitempfindlichen Netzwerkstandards IEEE 802.1 (TSN). Die deterministische Timing-Funktion von LAN8872 kann Entwicklern dabei helfen, eine enge Synchronisierung zwischen mehreren Systemen aufrechtzuerhalten, und seine Energiemanagementfunktion kann die Nachfrage der Menschen nach robusten Verbindungen mit geringem Stromverbrauch auch in rauen Umgebungen erfüllen.
Vereinfachen Sie das SPE-Netzwerkdesign mit geringem Stromverbrauch
LAN8872 nutzt die energiesparende EtherGREEN-Technologie von Microchip, die es dem Gerät ermöglicht, im Schlafmodus mit extrem geringem Stromverbrauch einen typischen Verbrauch von nur 15 Mikroampere (μ A) zu erreichen. Dieses Gerät unterstützt den Remote-Schlaf- und Weckmechanismus des OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10)-Standards und kann Schlafanfragen erkennen und auf das Aufwecken durch WAKE-IN-Impulse reagieren. Über seinen INH-Ausgang kann das Gerät die Stromversorgung der elektronischen Steuereinheit (ECU) aktivieren oder deaktivieren. LAN8872 ist mit der FlexPWR-Energieverwaltungstechnologie von Microchip ausgestattet, die durch variable I/O- und Kernstromversorgungsspannung weitere Energieeinsparungen ermöglicht.
Die hohe Integration von LAN8872 vereinfacht das Design zusätzlich. Zusätzlich zu den umfangreichen Integrationsfunktionen macht die Kombination aus On-Chip-Abschlusswiderständen und integrierten Übertragungsfilterfunktionen die Lösung kompakt und weist geringe elektromagnetische Störungen (EMI) auf. Zur Integration auf Systemebene verfügt LAN8872 über einen Referenztaktausgang und eine standardmäßige serielle Gigabit-Medienunabhängige Schnittstelle (SGMII), wodurch die Schnittstelle mit Ethernet Media Access Controllern (MAC) oder Geräten mit MAC-Funktionalität, einschließlich System-on-Chip (SoC), Mikrocontroller (MCU) und Field Programmable Gate Array (FPGA) vereinfacht wird (Abbildung 2).
Schematische Darstellung des Microchip ATA8520D Sigfox-Transceivers
Abbildung 2: Entwickler benötigen nur wenige zusätzliche Komponenten, um den LAN8872 PHY-Transceiver in ihre SPE-Netzwerklösung zu integrieren. (Bildquelle: Microchip Technology)
LAN8872 entspricht dem Standard IEEE 802.3bp-2016 und ist darauf ausgelegt, Gigabit-Leistung über ein einziges Kabelpaar bereitzustellen und gleichzeitig die Fehlerbehebung in kritischen Industrie- und Automobilnetzwerken zu unterstützen. Dieses Gerät ist hilfreich für die Netzwerkdiagnose und zu seinen Funktionen gehören die Erkennung von Kabeldefekten bei Kurzschlüssen oder Unterbrechungen, eine Empfangssignalqualitätsanzeige (SQI), Überhitzungsschutz, Unterspannungsschutz, Unterstützung für vollständige Zustandsunterbrechungen sowie verschiedene Loopback- und Testmodi.