La comunicazione Ethernet in tempo reale ad alta velocità sta diventando sempre più importante per le applicazioni sensibili al fattore tempo nell'automazione industriale e nei sistemi automobilistici. La tradizionale Ethernet multicoppia spesso non riesce a soddisfare i requisiti di tali applicazioni a causa delle sue prestazioni incerte, dei cablaggi ingombranti e dell'elevato consumo energetico.
Una soluzione più efficace si basa sullo standard Single Pair Ethernet (SPE), che può fornire un livello fisico semplificato (PHY), ma può porre sfide prestazionali in termini di lunga distanza di trasmissione via cavo e predisposizione alla sicurezza funzionale, nonché sfide di implementazione legate all’ottenimento di risorse di progettazione efficaci. Gli ingegneri necessitano di una soluzione completa in grado di soddisfare i rigorosi requisiti prestazionali delle reti SPE in tempo reale accelerando al tempo stesso la velocità di implementazione.
Questo articolo descrive i requisiti di rete e le relative problematiche affrontate dai progettisti di applicazioni critiche e sensibili al fattore tempo, in particolare nei settori industriale e automobilistico. Successivamente è stata introdotta la soluzione SPE di Microchip Technology, che comprende ricetrasmettitori Ethernet PHY, schede di valutazione e relative risorse di progettazione, che possono aiutare i progettisti ad affrontare le nuove sfide incontrate nell'implementazione di sistemi di rete SPE conformi agli standard.
In che modo i requisiti applicativi chiave determinano la necessità di Ethernet in tempo reale
L'Ethernet in tempo reale sta giocando un ruolo sempre più importante in molte applicazioni industriali e automobilistiche critiche. Nell'Internet delle cose industriale (IIoT) e nei sistemi di controllo industriale, il coordinamento ad alta precisione tra sensori, controller e attuatori richiede protocolli come IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) per supportare reti di comunicazione deterministiche. Nelle applicazioni automobilistiche, inclusi i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), l'infotainment e i sottosistemi di elaborazione remota delle informazioni, uno scambio affidabile di dati in tempo reale richiede la capacità di resistere a condizioni estreme nell'ambiente del veicolo.
Sia nell'officina che nell'auto, le reti sensibili al fattore tempo devono garantire una latenza bassa e limitata, un'elevata tolleranza ai guasti e un jitter minimo. La capacità di mantenere la sincronizzazione tra dispositivi è fondamentale, soprattutto negli ambienti in cui il tempo di risposta in millisecondi è fondamentale per il funzionamento e la sicurezza del sistema. Allo stesso tempo, le soluzioni di rete devono adattarsi allo spazio limitato dei sottosistemi di rete nelle unità di produzione o nei telai dei veicoli.
Come soddisfare i requisiti delle applicazioni di rete sensibili al fattore tempo e con spazio limitato
Secondo gli standard IEEE 802.3bw (100BASE-T1) e IEEE 802.3bp (1000BASE-T1), SPE è adatto per Gigabit Ethernet (GbE) in applicazioni industriali e automobilistiche ed è diventato un'alternativa semplificata a livello fisico all'Ethernet tradizionale. SPE supporta requisiti rigorosi per applicazioni sensibili al fattore tempo, riducendo al tempo stesso la complessità dei cavi e i costi di sistema. Tuttavia, nonostante questi vantaggi, i progettisti di reti basate su SPE devono ancora affrontare sfide nell'integrazione di dispositivi appropriati e nel garantirne la disponibilità in termini di sicurezza funzionale.
Il ricetrasmettitore SPE PHY LAN8872 1000BASE-T1 di Microchip Technology (Figura 1) e le relative risorse di progettazione possono aiutare gli sviluppatori ad affrontare queste sfide emergenti durante l'implementazione di reti SPE conformi agli standard. LAN8872 integra un sottosistema PHY completo, compreso il sottostrato di codifica fisica (PCS), la macchina a stati finiti (FSM), il front-end analogico (AFE), il regolatore a basso dropout (LDO), il monitoraggio della tensione, la terminazione su chip e il filtraggio integrato.
Diagramma schematico del ricetrasmettitore PHY 1000BASE-T1 integrato Microchip LAN8872 (fare clic per ingrandire)
Figura 1: LAN8872 fornisce un ricetrasmettitore 1000BASE-T1 PHY integrato, incluso PCS, regolatore LDO, monitoraggio della tensione AFE、FSM、 Funzioni complete come terminali su chip e filtraggio integrato. (Fonte immagine: Microchip Technology)
LAN8872 dispone del supporto integrato per gli standard del protocollo di sincronizzazione dell'orologio di precisione IEEE 1588-2019 e IEEE 802.1AS-2020 ed è completamente compatibile con gli standard AVB (audio e video bridging) Ethernet in tempo reale e TSN (Time Sensitive Network) IEEE 802.1. La funzione di temporizzazione deterministica di LAN8872 può aiutare gli sviluppatori a mantenere una stretta sincronizzazione tra più sistemi e la sua funzione di gestione dell'energia può soddisfare la domanda delle persone per connessioni robuste a bassa potenza anche in ambienti difficili.
Semplifica la progettazione della rete SPE a basso consumo
LAN8872 adotta la tecnologia di risparmio energetico EtherGREEN di Microchip, che consente al dispositivo di raggiungere un consumo tipico di soli 15 microampere (μ A) in modalità di sospensione a consumo energetico estremamente basso. Questo dispositivo supporta il meccanismo di sospensione e riattivazione remota dello standard OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10) ed è in grado di riconoscere le richieste di sospensione e rispondere alla riattivazione tramite impulso WAKE-IN. La sua uscita INH consente al dispositivo di abilitare o disabilitare l'alimentazione della centralina elettronica (ECU). LAN8872 è dotato della tecnologia di gestione dell'alimentazione FlexPWR di Microchip, che consente di risparmiare ulteriormente energia grazie a I/O variabili e alla tensione di alimentazione del core.
L'elevata integrazione di LAN8872 semplifica ulteriormente la progettazione. Oltre alle sue estese funzioni di integrazione, la combinazione di resistori terminali su chip e funzionalità di filtraggio della trasmissione integrate rende la soluzione compatta nelle dimensioni e con basse interferenze elettromagnetiche (EMI). Per l'integrazione a livello di sistema, LAN8872 dispone di un'uscita del clock di riferimento e di un'interfaccia seriale gigabit media independent (SGMII) standard, che semplifica l'interfaccia con i controller di accesso ai media (MAC) Ethernet o i dispositivi con funzionalità MAC, inclusi system on chip (SoC), microcontroller (MCU) e field programmable gate array (FPGA) (Figura 2).
Diagramma schematico del ricetrasmettitore Sigfox Microchip ATA8520D
Figura 2: Gli sviluppatori necessitano solo di pochi componenti aggiuntivi per integrare il ricetrasmettitore LAN8872 PHY nella loro soluzione di rete SPE. (Fonte immagine: Microchip Technology)
LAN8872 è conforme allo standard IEEE 802.3bp-2016 ed è progettato per fornire prestazioni gigabit attraverso una singola coppia di cavi, supportando al tempo stesso la risoluzione dei problemi nelle reti critiche industriali e automobilistiche. Questo dispositivo è utile per la diagnosi della rete e le sue funzionalità includono rilevamento di difetti del cavo in cortocircuito o circuito aperto, indicatore di qualità del segnale del ricevitore (SQI), protezione da surriscaldamento, protezione da sottotensione, supporto di interruzione dello stato completo e varie modalità di loopback e test.
Accelera la progettazione di soluzioni SPE basate su LAN8872
Per accelerare la progettazione e lo sviluppo, Microchip fornisce schede di valutazione per soddisfare i requisiti di diversi sviluppatori. Per comodità di test e convalida della progettazione a livello di sistema, la scheda di valutazione EV75E52A EVB-LAN8870-MC di Microchip (Figura 3) fornisce un convertitore multimediale completo in grado di collegare 1000BASE-T1 e Gigabit Ethernet standard. Gli sviluppatori devono solo collegare un cavo Ethernet CAT5 dalla porta GbE all'interfaccia RJ-45 del circuito, quindi collegare un cavo a doppino intrecciato dalla rete SPE all'interfaccia Ethernet automobilistica T1 del circuito.