פישוט המימוש של רשתות Ethernet זוג-יחיד עבור יישומים רגישים-לזמן קריטיים

תקשורת Ethernet בזמן-אמת במהירות גבוהה הופכת חיונית יותר ויותר עבור יישומים רגישים-לזמן במערכות אוטומציה תעשייתית ורכב. כמענה לדרישות עבור יישומים מסוג זה, Ethernet רב-זוגות קונבנציונלי לרוב לוקה בחסר בשל ביצועיו הלא-דטרמיניסטיים, צמות כבלים מגושמות וצריכת הספק מוגברת.

פתרונות אפקטיביים יותר מסתמכים על תקני Ethernet זוג-יחיד (SPE), המציעים שכבה פיזית (PHY) יעילה אך עלולים להציג אתגרי ביצועים עבור אורכי כבלים ארוכים ומוכנות לבטיחות פונקציונלית, כמו גם אתגרי מימוש הקשורים לזמינות של משאבי תכנון אפקטיביים. המהנדסים זקוקים לפתרון מקיף העומד בדרישות הביצועים המחמירות עבור רשתות SPE בזמן-אמת, תוך האצת המימוש שלהן.

מאמר זה מתאר את דרישות הרשת והסוגיות הקשורות העומדות בפני מתכנני יישומים קריטיים ורגישים-לזמן, במיוחד במגזרי התעשייה והרכב. לאחר מכן המאמר מציג פתרונות SPE של Microchip Technology‏, כולל מקמ"ש Ethernet PHY, לוחות הערכה ומשאבי תכנון נלווים המסייעים למתכננים לעמוד באתגרים המתעוררים במימוש מערכות רשת SPE תואמות-תקנים.

כיצד דרישות יישומים קריטיות מניעות את הביקוש עבור Ethernet‏ בזמן-אמת

ל-Ethernet‏ בזמן-אמת יש תפקיד הולך וגדל ביישומים תעשייתיים ורכב קריטיים רבים. באינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) ובמערכות בקרה תעשייתיות, תיאום מדויק בין חיישנים, בקרים ומפעילים דורש רשתות תקשורת דטרמיניסטיות המאופשרות על ידי פרוטוקולים כגון IEEE 1588 Precision Time Protocol‏ (PTP‏). ביישומי רכב, כולל מערכות סיוע-לנהג מתקדמות (ADAS), מערכות מידע ובידור ותת-מערכות טלמטיקה, חילופי נתונים אמינים בזמן-אמת צריכים לעמוד בתנאים הקיצוניים של סביבות רכב.

בין אם על רצפת המפעל או בתוך רכב, רשתות רגישות-לזמן חייבות להבטיח שיהוי (Latency‏) קצר ומוגבל, טולרנס גבוה לתקלות וריצוד מינימלי. היכולת לשמור על סנכרון בין התקנים היא חיונית, במיוחד בסביבות בהן זמני תגובה של מילי-שנייה הם קריטיים לפעולת המערכת ולבטיחותה. במקביל, פתרונות רשת חייבים להתאים את עצמם למקום המוגבל הזמין עבור תת-מערכות רשת בתאי ייצור או שלדות רכב.

כיצד לעמוד בדרישות הרשת עבור יישומים רגישים-לזמן ולמגבלות-מקום

SPE, המוסדר תחת תקני IEEE 802.3bw‏ (100Base-T1‏) ו-IEEE 802.3bp‏ (1000BASE-T1‏) עבור Gigabit Ethernet‏ (GbE‏) ביישומים תעשייתיים ורכב, SPE‏ התגלה כחלופת PHY‏ יעילה ל-Ethernet‏ קונבנציונלי. SPE תומך בדרישות המחמירות של יישומים רגישים-לזמן תוך הפחתת מורכבות הכבלים ועלות המערכת. עם זאת, למרות השגת יתרונות אלה, מתכנני רשתות מבוססות SPE עדיין מתמודדים עם אתגרים בשילוב התקנים מתאימים ובהבטחת מוכנותם לבטיחות פונקציונלית.

מקמ"ש 1000BASE-T1 SPE PHY‏ LAN8872‏ של Microchip Technology (איור 1) ומשאבי התכנון הנלווים תומכים במפתחים בהתמודדות עם אתגרים מתפתחים אלה בעת יישום רשתות SPE תואמות-תקנים. ה-LAN8872 משלב תת-מערכת PHY שלמה, כולל תת-שכבה של קידוד פיזי (PCS‏), מכונת מצבים-סופיים (FSM‏), קצה-קדמי אנלוגי (AFE), מייצב עם מפל-מתח נמוך (LDO), ניטור מתח, סיומת על-השבב וסינון משולב.

איור 1: ה-LAN8872 מספק מקמ"ש PHY‏ 1000BASE-T1‏ משולב הכולל PCS, מייצב LDO‏, ניטור מתח, AFE, FSM, סיומת על-שבב וסינון משולב. (מקור התמונה: Microchip Technology)

עם תמיכה מובנית בתקני פרוטוקול סנכרון שעון מדויק IEEE 1588-2019‏ ו-IEEE 802.1AS-2020‏, ה-LAN8872 תואם במלואו לתקני גישור אודיו-וידאו (AVB‏) ו-Time-Sensitive Networking‏ (TSN‏) IEEE 802.1‏ עבור רשתות Ethernet בזמן-אמת. בעוד שיכולות התזמון הדטרמיניסטיות של ה-LAN8872 מסייעות למפתחים לשמור על סנכרון הדוק בין מספר מערכות, יכולות ניהול האנרגיה שלו עונות על הצורך בחיבוריות חסונה בהספק נמוך אפילו בסביבות קשות.

פישוט תכני רשתות SPE בהספק נמוך

ה-LAN8872 משלב את הטכנולוגיה היעילה-אנרגטית EtherGREEN של Microchip, המאפשרת להתקן לצרוך בדרך כלל רק 15 מיקרו-אמפר (μA) באופן-שינה עם הספק אולטרה-נמוך שלו. ההתקן, התומך במנגנוני שינה ויקיצה מרחוק סטנדרטיים של OPEN Alliance Technical Committee 10‏ (TC10‏), יכול לזהות בקשות שינה ולהתעורר בתגובה לפולסים של WAKE_IN. יציאת INH שלו מאפשרת להתקן להפעיל או להשבית את הספקת-הכוח של יחידת הבקרה האלקטרונית (ECU‏). טכנולוגיית ניהול הספקת-הכוח FlexPWR של Microchip, המובנית בתוך ה-LAN8872, מספקת חיסכון נוסף באנרגיה באמצעות I/O‏ משתנה ומתחי הספקת-כוח ליבה.

רמת האינטגרציה הגבוהה של ה-LAN8872 מפשטת עוד יותר את התכנון. ביחד עם הפונקציונליות המשולבת הנרחבת שלו, נגדי הסיומת על-השבב וסינון השידור המשולב שלו משתלבים יחד כדי לאפשר פתרונות עם חתימת-שטח קומפקטית והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) נמוכות. עבור אינטגרציה ברמת המערכת, ה-LAN8872 כולל יציאת שעון ייחוס וממשק סטנדרטי של ג'יגה-ביט טורי שאינו תלוי במדיה (SGMII‏), המפשט ממשקי בקרי גישה למדיה (MACs‏) Ethernet‏ או התקנים עם יכולת -MAC, כולל מערכות-על-שבב (SoCs), יחידות מיקרו-בקר (MCUs) ומערכי שערים הניתנים לתכנות בשטח (FPGAs) (איור 2).

איור 2: vמפתחים זקוקים רק למספר מצומצם של רכיבים נוספים כדי לשלב את מקמ"ש LAN8872 PHY בפתרונות רשת SPE שלהם. (מקור התמונה: Microchip Technology)

ה-LAN8872, התואם לתקן IEEE 802.3bp-2016‏, מתוכנן לספק ביצועי ג'יגה-ביט על פני זוג חוטים יחיד תוך תמיכה באיתור תקלות ברשתות תעשייתיות ורכב קריטיות. ההתקן מסייע בדיאגנוסטיקת רשת עם מאפיינים הכוללים גילוי פגמי כבל מקוצר או פתוח, מחוון איכות אותות מקלט (SQI), הגנה מפני טמפרטורת-יתר, הגנה מפני תת-מתח, תמיכה מקיפה בפסקי (Interrupt‏) סטטוס, ומגוון אופני בדיקות וחוג-חוזר.

האצת תכנון פתרונות SPE מבוססי LAN8872

כדי להאיץ את התכנון והפיתוח, Microchip מספקת לוחות הערכה שנבנו כדי לעמוד בדרישות השונות של המפתחים. כדי להקל על בדיקות ותיקוף תכן ברמת המערכת, לוח ההערכה EVB-LAN8870-MC‏ EV75E52A‏ של Microchip (איור 3) מספק ממיר מדיה שלם המגשר בין 1000BASE-T1 לבין ג'יגה-ביט Ethernet סטנדרטי. המפתחים פשוט מחברים כבל Ethernet CAT5 מיציאת ה-GbE שלהם לשקע RJ-45 של הלוח ומחברים כבל זוג-מפותל יחיד מרשת ה-SPE שלהם למחבר ה-Ethernet לרכב T1 של הלוח.

איור 3: לוח ההערכה EV75E52A EVB-LAN8870-MC מספק ממיר מדיה שלם עבור בדיקת תכנים המחברים רשתות SPE עם ג'יגה-ביט Ethernet. (מקור התמונה: Microchip Technology)

עבור מפתחים המתמקדים בהערכת יכולות PHY, לוח EVB-LAN8870-RGMII‏ EV39G24A‏ של Microchip (איור 4) מספק תת-מערכת PHY שלמה עם ממשק PHY ישיר.

איור 4: לוח EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII מספק תת-מערכת PHY שלמה עבור הערכת PHY בתכני SPE. (מקור התמונה: Microchip Technology)

לוח ה-EVB-LAN8870-RGMII (איור 5, משמאל) מתוכנן להתחבר דרך מחבר ממשק PHY שלו ללוחות מערכות פיתוח Ethernet‏ (EDS‏) של Microchip, כולל ה-EVB-LAN7801-EDS‏ (EV88E76A‏ וה-EVB-LAN7431-EDS‏ (איור 5, ימין).

איור 5: המפתחים יכולים לחבר את לוח EVB-LAN8870-RGMII PHY (משמאל) ללוחות EDS כגון EVB-LAN7431-EDS‏ (מימין) כדי לגשת לכל רגיסטרי PHY דרך מנהלי-ההתקנים של מארח הפיתוח. (מקור התמונה: Microchip Technology)

מפתחים העובדים עם לוח EVB-LAN8870-RGMII יכולים לגשת לכל רגיסטרי PHY דרך מנהלי ההתקנים של לוח EDS הפועלים על מארחי Windows או Linux. אלו העובדים עם ה-EVB-LAN8870-MC יכולים להגדיר ולנטר את ביצועי המקמ"ש באמצעות חבילת תוכנה של ממשק משתמש גרפי (GUI‏) מבוסס-Windows‏.

כדי לסייע בהאצת הפיתוח של תכני SPE מותאמים-במיוחד, Microchip מספקת סכמות מקיפות והנחיות תצורה, כמו גם אקוסיסטם תוכנה נרחב עבור תמיכה באינטגרציה של LAN8872. קיימים מנהלי-התקנים עבור פלטפורמות פופולריות, כולל Linux‏, FreeRTOS‏ ו-AUTOSAR‏. מסגרת-העבודה לפיתוח תוכנה משובצת MPLAB Harmony‏ של Microchip כוללת מנהלי-התקנים משולבים, ספריות היקפיות ותמיכה ב-Code Configurator‏ המייעלת את הגדרת התצורה והבדיקה של תכני LAN8872 PHY.

מעבר למשאבי פיתוח אלו, שירות סקירת תכנים MicroCHECK‏ החינמי של Microchip מציע סיוע ישיר בכל שלב של המימוש, החל מהרעיון ועד לפרישה. בעזרת שירות MicroCHECK, המפתחים יכולים להגיש את הסכמות שלהם ואת פרישות המעגלים המודפסים (PC Board) לסקירה מקצועית ולקבל משוב מעשי על תקינות האותות, פילוג הספקת-הכוח ותאימות עם שיטות תכנון מומלצות. באמצעות שירות MicroCHECK בשלבי התכנון המוקדמים, המפתחים יכולים למזער את הסיכון לבעיות מימוש הקשורות ל-PHY שיתעוררו בהמשך בתהליך הייצור.

בתהליך פיתוח טיפוסי, המפתחים מתחילים בהערכת יכולות PHY בתכן שלהם באמצעות אחד מלוחות הייחוס של Microchip. לאחר תיקוף ביצועי והתנהגות ה-PHY בסביבת המטרה, הם משלבים את ה-PHY בתכן מותאם-במיוחד באמצעות סכימות ייחוס והמלצות פרישה. לפני בניית האב-טיפוס, הם מגישים את התכן שלהם לסקירת MicroCHECK, כדי להבטיח שהמימוש שלהם הוא חסון ומוכן לייצור.

סיכום

ככל ש-Ethernet בזמן-אמת הופך חיוני יותר ויותר ביישומים תעשייתיים ורכב, המפתחים מתמודדים עם לחץ גובר למימוש פתרונות רשת קומפקטיים, תואמי-תקנים ובהספק נמוך. מגובה במשאבים מקיפים ותמיכה מקצועית בסקירת פרויקטים, ה-LAN8872 1000BASE-T1 PHY של Microchip מסייע להאיץ את פיתוח התכנים הדרושים להבטחת חיבוריות SPE אמינה ועם ביצועים עיליים.