Semplificare l'implementazione della connettività di rete Single-Pair Ethernet in applicazioni critiche sensibili al tempo

La comunicazione Ethernet ad alta velocità e in tempo reale è sempre più importante per le applicazioni di automazione industriale e automotive in cui il fattore tempo è determinante. Per soddisfare i requisiti di questo tipo di applicazioni, il tradizionale protocollo Ethernet multicoppia è spesso insufficiente a causa delle sue prestazioni non deterministiche, di cablaggi ingombranti e di un consumo energetico elevato.

Le soluzioni più efficaci si basano sugli standard Single-Pair Ethernet (SPE), che offrono uno strato fisico (PHY) semplificato, ma possono presentare problemi di prestazioni dovuti alla portata dei cavi e alla sicurezza funzionale, oltre a problemi di implementazione legati alla disponibilità di risorse di progettazione efficaci. Gli ingegneri hanno bisogno di una soluzione completa che soddisfi i severi requisiti di prestazioni per la connettività di rete SPE in tempo reale, velocizzandone al contempo l'implementazione.

Questo articolo illustra i requisiti di connettività di rete e le problematiche che devono affrontare i progettisti di applicazioni critiche e sensibili al tempo, in particolare nei settori industriale e automotive. Presenta quindi le soluzioni SPE di Microchip Technology, tra cui un transceiver Ethernet PHY, schede di valutazione e risorse di progettazione associate, che aiutano i progettisti ad affrontare le sfide emergenti nell'implementazione di sistemi di connettività di rete SPE conformi agli standard.

I requisiti di applicazioni critiche spingono la domanda di Ethernet in tempo reale

L'Ethernet in tempo reale svolge un ruolo sempre più centrale in molte applicazioni industriali e automotive critiche. Nell'Internet delle cose industriale (IIoT) e nei sistemi di controllo industriale, il coordinamento ad alta precisione tra sensori, controller e attuatori richiede reti di comunicazione deterministiche abilitate da protocolli come IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP). Nelle applicazioni automotive, tra cui i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), l'infotainment e i sottosistemi telematici, lo scambio affidabile di dati in tempo reale deve resistere alle condizioni estreme dell'ambiente veicolare.

Sia in fabbrica sia all'interno di un veicolo, le reti sensibili ai tempi devono garantire una latenza bassa e limitata, un'elevata tolleranza ai guasti e un jitter minimo. La capacità di mantenere la sincronizzazione tra i dispositivi è essenziale, soprattutto in ambienti in cui i tempi di risposta entro il millisecondo sono fondamentali per il funzionamento e la sicurezza del sistema. Allo stesso tempo, le soluzioni di rete devono adattarsi allo spazio limitato disponibile per i sottosistemi di rete nelle celle di produzione o nei telai dei veicoli.

Come soddisfare i requisiti di rete per le applicazioni sensibili al tempo e con vincoli di spazio

Regolamentato dagli standard IEEE 802.3bw (100BASE-T1) e IEEE 802.3bp (1000BASE-T1) per Gigabit Ethernet (GbE) nelle applicazioni industriali e automotive, SPE è emerso come un PHY semplificato alternativo all'Ethernet tradizionale. SPE supporta i rigorosi requisiti delle applicazioni sensibili al tempo, riducendo contemporaneamente la complessità dei cavi e il costo del sistema. Tuttavia, nonostante questi vantaggi, i progettisti di reti basate su SPE devono comunque superare alcune sfide per integrare i dispositivi e garantire la loro sicurezza funzionale.

Il transceiver 1000BASE-T1 SPE PHY LAN8872 di Microchip Technology (Figura 1) e le risorse di progettazione associate supportano gli sviluppatori nell'affrontare queste sfide emergenti quando implementano reti SPE conformi agli standard. LAN8872 integra un sottosistema PHY completo, comprendente un sottostrato di codifica fisica (PCS), una macchina a stati finiti (FSM), un front-end analogico (AFE), un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO), monitoraggio della tensione, terminazione su chip e filtraggio integrato.

Figura 1: LAN8872 fornisce un transceiver PHY 1000BASE-T1 integrato, completo di PCS, regolatore LDO, monitoraggio della tensione, AFE, FSM, terminazione su chip e filtraggio integrato. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Grazie al supporto degli standard IEEE 1588-2019 e IEEE 802.1AS-2020 per la sincronizzazione di precisione del clock, LAN8872 è totalmente compatibile con gli standard AVB (Audio Video Bridging) e TSN (Time-Sensitive Networking) di IEEE 802.1 per le reti Ethernet in tempo reale. Se le funzionalità di temporizzazione deterministica di LAN8872 aiutano gli sviluppatori a mantenere una stretta sincronizzazione tra più sistemi, le sue capacità di gestione energetica rispondono all'esigenza di una robusta connettività a basso consumo anche in ambienti difficili.

Semplificare la progettazione di reti SPE a basso consumo

LAN8872 incorpora la tecnologia di efficienza energetica EtherGREEN di Microchip, che consente al dispositivo di assorbire in genere solo 15 μA nella modalità di sospensione a bassissimo consumo. Con il supporto di meccanismi di sospensione e riattivazione remota standard OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10), il dispositivo è in grado di riconoscere le richieste di sospensione e riattivazione in risposta agli impulsi WAKE_IN. L'uscita INH consente al dispositivo di attivare o disattivare l'alimentazione dell'unità di controllo elettronico (ECU). Integrata in LAN8872, la tecnologia di gestione dell'alimentazione FlexPWR di Microchip offre ulteriori livelli di risparmio energetico grazie a tensioni di alimentazione variabili per I/O e core.

L'elevato livello di integrazione di LAN8872 semplifica ulteriormente la progettazione. Oltre all'ampia funzionalità integrata, i resistori di terminazione su chip e il filtro di trasmissione integrato consentono di realizzare soluzioni con un ingombro compatto e basse interferenze elettromagnetiche (EMI). Per l'integrazione a livello di sistema, LAN8872 offre un'uscita di clock di riferimento e un'interfaccia seriale gigabit indipendente dal mezzo (SGMII) standard, che semplifica le interfacce con Media Access Controller (MAC) Ethernet o con i dispositivi compatibili MAC, compresi i System-on-Chip (SoC), le unità microcontroller (MCU) e i gate array programmabili sul campo (FPGA) (Figura 2).

Figura 2: Gli sviluppatori necessitano di pochi componenti aggiuntivi per integrare il transceiver PHY LAN8872 nelle loro soluzioni di rete SPE. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Conforme allo standard IEEE 802.3bp-2016, LAN8872 è progettato per fornire prestazioni di livello gigabit su una singola coppia di fili, supportando al contempo la risoluzione dei problemi nelle reti industriali e automotive critiche. Il dispositivo facilita la diagnostica di rete grazie a funzioni quali il rilevamento dei difetti dei cavi, come cortocircuiti o aperture, l'indicatore di qualità del segnale (SQI) del ricevitore, la protezione da sovratemperatura e da sottotensione, il supporto completo di interrupt di stato e varie modalità di loopback e test.

Accelerare la progettazione di soluzioni SPE basate su LAN8872

Per accelerare la progettazione e lo sviluppo, Microchip fornisce schede di valutazione create appositamente per soddisfare le diverse esigenze degli sviluppatori. Per facilitare il test e la validazione dei progetti a livello di sistema, la scheda di valutazione EV75E52A EVB-LAN8870-MC di Microchip (Figura 3) offre un convertitore multimediale completo che fa da ponte tra 1000BASE-T1 e Gigabit Ethernet standard. Gli sviluppatori devono semplicemente collegare un cavo Ethernet CAT5 dalla porta GbE alla presa RJ-45 della scheda e collegare un singolo cavo a doppino intrecciato dalla rete SPE al connettore Ethernet automotive T1 della scheda.

Figura 3: La scheda di valutazione EV75E52A EVB-LAN8870-MC offre un convertitore multimediale completo per testare progetti che collegano reti SPE con Gigabit Ethernet. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Per gli sviluppatori che desiderano valutare le capacità PHY, la scheda EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII di Microchip (Figura 4) è un sottosistema PHY completo con un'interfaccia PHY diretta.

Figura 4: La scheda EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII è un sottosistema PHY completo per la valutazione PHY in progetti SPE. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

La scheda EVB-LAN8870-RGMII (Figura 5, a sinistra) è destinata al collegamento tramite un connettore di interfaccia PHY alle schede EDS (Ethernet Development Systems) di Microchip, tra cui EV88E76A EVB-LAN7801-EDS e EVB-LAN7431-EDS (Figura 5, a destra).

Figura 5: Gli sviluppatori possono collegare la scheda PHY EVB-LAN8870-RGMII (a sinistra) a schede EDS come EVB-LAN7431-EDS (a destra) per accedere a tutti i registri PHY attraverso i driver host di sviluppo. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Gli sviluppatori che lavorano con la scheda EVB-LAN8870-RGMII possono accedere a tutti i registri PHY attraverso i driver della scheda EDS in esecuzione su host Windows o Linux. Con EVB-LAN8870-MC è possibile configurare e monitorare le prestazioni del transceiver attraverso un pacchetto software con interfaccia grafica (GUI) basato su Windows.

Per accelerare lo sviluppo di progetti SPE personalizzati, Microchip fornisce schemi di riferimento completi e linee guida di configurazione, oltre a un ampio ecosistema software per supportare l'integrazione di LAN8872. Sono disponibili driver per le piattaforme più diffuse, tra cui Linux, FreeRTOS e AUTOSAR. Il framework di sviluppo software embedded MPLAB Harmony di Microchip include driver integrati, librerie di periferiche e il supporto del Code Configurator che semplifica la configurazione e i test di progetti PHY LAN8872.

Oltre a queste risorse di sviluppo, il servizio gratuito di revisione dei progetti MicroCHECK di Microchip offre assistenza diretta in ogni fase dell'implementazione, dall'ideazione al layout. Con il servizio MicroCHECK, gli sviluppatori possono inviare gli schemi e i layout delle schede a circuiti stampati per la revisione da parte di esperti e ricevere un riscontro fattibile sull'integrità del segnale, la distribuzione dell'energia elettrica e la conformità alle best practice di progettazione. Utilizzando il servizio MicroCHECK nelle prime fasi di progettazione, gli sviluppatori possono ridurre al minimo il rischio che i problemi di implementazione relativi al PHY si manifestino nelle fasi successive, durante la produzione.

In un tipico flusso di lavoro di sviluppo, gli sviluppatori iniziano a valutare le funzionalità PHY nel loro progetto utilizzando una delle schede di riferimento di Microchip. Dopo aver convalidato le prestazioni e il comportamento del PHY nell'ambiente di destinazione, incorporano il PHY in un progetto personalizzato utilizzando schemi di riferimento e i consigli sul layout. Prima di impegnarsi nella costruzione di un prototipo, sottopongono il loro progetto alla revisione MicroCHECK, assicurando che la loro implementazione sia robusta e pronta per la produzione.

Conclusione

Poiché l'Ethernet in tempo reale è ormai essenziale in un numero in aumento di applicazioni industriali e automotive, gli sviluppatori devono affrontare una pressione crescente per implementare soluzioni di rete compatte, conformi agli standard e a basso consumo. Grazie a risorse complete e al supporto di esperti per la revisione dei progetti, LAN8872 1000BASE-T1 PHY di Microchip contribuisce ad accelerare lo sviluppo dei progetti necessari per garantire una connettività SPE affidabile e ad alte prestazioni.