česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 11. srpen 2022

Jak 10BASE-T1L MAC-PHY zjednoduší připojení k ethernetu s nízkopříkonovým procesorem

DPS 4/2021 | Vývoj - články
Autor: Maurice O’Brien, Volker E. Goller, Analog Devices

Článek vysvětluje možnosti připojení ke stále rostoucímu počtu nízkopříkonových zařízení na různých úrovních sítě s využitím 10BASE-T1L MAC-PHY. Rovněž si ukážeme, kdy použít MAC-PHY nebo 10BASE-T1L PHY a také jak zmíněné systémy vyhovují konkrétním požadavkům, pokud jde o moderní instalace komunikující v budovách či ve výrobě pomocí ethernetu.

Obr. č. 1 10BASE (jpg)

Pár slov úvodem

Díky požadavku připojit v oblasti automatizace procesů, výrobních závodů a také budov do ethernetových sítí větší počet zařízení nabývá na významu řešení 10BASE-T1L počítající s jediným párem, včetně Ethernet-APL. S rostoucím počtem propojených zařízení tak mají řídicí systémy na vyšší úrovni k dispozici větší množství dat, což vede k zásadnímu zvyšování produktivity, zatímco dále snižujeme provozní náklady a také spotřebu energie. Smysl pak spočívá v začlenění všech senzorů a také akčních členů do sbližující se sítě IT/OT.

Vývojáři však stojí před náročným úkolem, protože některé snímače budou omezeny nejen dostupným výkonem, ale i místem. Pravda, pro zapojení s akčními členy i čidly zde máme trvale rostoucí nabídku mikrokontrolérů s (mimořádně) nízkou vlastní spotřebou a obrovskými možnostmi, pokud jde o vnitřní paměť. Většina takových procesorů však bude mít jednu věc společnou – bez vlastní MAC nemohou podporovat (ethernetová) rozhraní MII, RMII nebo RGMII nezávislá na médiu. Tradiční PHY zde proto nelze připojit.

Obr.č. 2 10BASE (jpg)

Proč použít 10BASE-T1L MAC-PHY

Abychom zajistili ethernetové připojení k rostoucímu počtu nízkopříkonových zařízení a také na velké vzdálenosti, bude zapotřebí 10BASE-T1L MAC-PHY. Spojení s procesorem pak zajistí rozhraní SPI. Požadavky kladené na procesor se tím snižují, protože nemusí mít vlastní MAC. Tato funkce je totiž nyní integrována přímo v rámci 10BASE-T1L PHY.

Řešení 10BASE-T1L MAC-PHY proto zvyšuje flexibilitu a dovoluje vývojářům vybírat z řady procesorů s mimořádně nízkou vlastní spotřebou. Na základě optimalizací při členění umožňuje 10BASE-T1L MAC-PHY nasadit v zóně 0 zařízení, která jsou bezpečná již ze své podstaty a spotřebují ještě méně energie (viz také Ethernet-APL). Pokud jde o aplikace pro inteligentní budovy, díky MAC-PHY nyní k ethernetu připojíme ještě více nízkopříkonových zařízení. Máme tím na mysli např. HVAC, systémy požární bezpečnosti, řízení přístupu, IP kamery, dopravníky a zařízení sloužící k monitorování stavu.

10BASE-T1L MAC-PHY a otázka pokročilého filtrování paketů

Zapracování funkce MAC v rámci 10BASE-T1L PHY nahrává novým funkcím pro optimalizaci provozu v síti ethernet. 10BASE-T1L MAC-PHY s pokročilým filtrováním paketů při broadcastu a multicastu výrazně zjednodušuje činnost a odlehčuje přitom procesoru. Filtrace na základě cílové MAC adresy je klíčová. Místo jedné, jediné adresy však MAC-PHY podporuje filtraci s využitím až 16 MAC adres (unicast nebo multicast). Ale nejen to, u dvou MAC adres lze rovněž počítat s maskováním. Při uvážení filtrace adresy zařízení, stejně jako v případě LLDP (Link Layer Discovery Protocol), to pak v praxi znamená obrovskou míru svobody.

 

Obr. č. 3 10BASE (jpg)

Díky podpoře další fronty, pokud jde o vyšší priority, lze některé zprávy upřednostnit a vedle robustnosti si tak zajistit i menší prodlevu. Prioritu rámce určíme na základě tabulky. Při broadcastu je např. možné zprávy směrovat do fronty s nižší prioritou, zatímco při unicastu pak do té vyšší. Receiver se tudíž ani v náročných situacích nezahltí. Zmíněné funkce filtrování pro MAC-PHY proto z pohledu zatížení sítě umožňují navrhnout odolná zařízení. MAC zde rovněž shromažďuje statistiky, čímž také napomáhá při monitorování síťového provozu a kvality spojení – viz obr. 1.

MAC v rámci MAC-PHY dále podporuje IEEE 1588, a tudíž i časovou synchronizaci (802.1AS), tak jak je vyžadována při automatizaci procesů. MAC-PHY zde přitom uvažuje synchronizovaný counter a také práci s časovými razítky u zpráv přenášených v obou směrech. Z pohledu softwaru se tím výrazně zjednodušuje celý návrh, protože již v této věci nepotřebujeme žádný další hardware, tedy kromě MAC-PHY samotného. MAC pak může s ohledem na synchronizovaný counter generovat výstupní průběh, který lze využít při synchronizaci vnějších operací na aplikační úrovni. Řešení zde rovněž podporuje sériové rozhraní Open Alliance pro 10BASE-T1x MAC-PHY. SPI tu vystupuje jako nový a velmi efektivní protokol navržený speciálně pro použití s MAC-PHY.

Kdy použít 10BASE-T1L MAC-PHY a kdy zase 10BASE-T1L PHY

Jak 10BASE-T1L PHY, tak i 10BASE-T1L MAC-PHY přináší v různých případech obrovské výhody. Z hlediska minimálního proudového odběru umožňuje 10BASE-T1L MAC-PHY dosahovat menší spotřeby, protože zde znamená svobodnější výběr mezi host procesory, a to i s mimořádně nízkou spotřebou, které nemají vlastní MAC. Když tedy stávající zařízení modernizujeme a hodláme přidat rozhraní ethernet, 10BASE- -T1L MAC-PHY nám ukazuje cestu, jak opakovaně použít původní procesor a ethernet si zpřístupnit prostřednictvím portu SPI. Větší procesor s vlastní MAC již proto není zapotřebí.

V případě náročnějších aplikací, ve kterých zařízení napříč celou sítí vyžadují špičkový procesor, který nyní může mít integrovanou MAC, pak rychlou cestu k cíli zprostředkuje 10BASE-T1L PHY s rozhraními MAC, jako jsou MII, RMII a RGMII. Jak vyplývá z obr. 2, při zajišťování ethernetové konektivity zde opakovaně využijeme stávajících driverů.

Rostoucí flexibilita pro nové instalace s ethernetovým připojením

Díky dostupnosti řešení 10BASE-T1L PHY (ADIN1100, [1]) a 10BASE-T1L MAC-PHY (ADIN1110, [2]) mohou nyní vývojáři ve snaze vyhovět požadavkům nových instalací komunikujících ve výrobě přes ethernet v obou případech těžit z ještě větší flexibility. V rámci stejné ethernetové sítě lze proto nasadit jak špičkové součástky, tak i obvody s mimořádně nízkou vlastní spotřebou a vyhovět přitom přísným omezením, pokud jde o využití v nebezpečných prostorách a také požadavky na maximální možný odběr zařízení. Za účelem vytvoření síťové topologie „trunk-and-spur“ zajišťující i v nebezpečných místech po jediném krouceném páru jak napájení, tak i data vyžadují power switche a field switche (10BASE-T1L) robustní a nízkopříkonové 10BASE-T1L PHY, které použijeme společně se systémy průmyslového ethernetu.

Při zajišťování ethernetového připojení u celé řady provozních systémů se uplatní 10BASE-T1L PHY a také 10BASE-T1L MAC-PHY. Zařízení pracující s vyššími výkony, třeba průtokoměry, použijí špičkový procesor s vlastní MAC a 10BASE-T1L PHY. Systémy s nižším odběrem, např. teplotní snímače s procesory s mimořádně nízkou vlastní spotřebou, které integrovanou MAC nemají, pak využijí 10BASE-T1L MAC-PHY a ethernetovou konektivitu vyřeší prostřednictvím rozhraní SPI – viz také obr. 3.

Porovnání klíčových vlastností 10BASE-T1L PHY a 10BASE-T1L MAC-PHY

10BASE-T1L MAC-PHY, jako obvody ADIN1110 od ADI, řeší nízkopříkonové ethernetové připojení prostřednictvím rozhraní SPI s host procesorem a spotřebují přitom pouze 42 mW. ADIN1110 zde přitom podporuje sériové rozhraní 10BASE-T1x MAC-PHY (Open Alliance) pro plně duplexní komunikaci přes SPI s využitím hodinového kmitočtu 25 MHz. 10BASE-T1L PHY coby prvky ADIN1100 od ADI zase řeší nízkopříkonovou ethernetovou konektivitu na základě rozhraní MII, RMII a RGMII (MAC) s host procesorem a vyžadují přitom jen 39 mW – viz také tabulka 1 srovnávající obvody ADIN1100 (10BASE-T1L PHY) s ADIN1110 (10BASE-T1L MAC-PHY).

Obě součástky při své práci vychází z klíčových předpokladů 10BASE-T1L v podobě plně duplexní a vyvážené komunikace point-to-point s modulací PAM 3, rychlostí 7,5 MBd a kódováním 4B3T. 10BASE-T1L zde přitom podporuje režimy s dvojí amplitudou, 2,4V špičkou – špička pro kabely v délce až 1 000 metrů − a 1,0V špičkou – špička za předpokladu kratší vzdálenosti.

Posledně zmiňovaný případ pak znamená, že novou technologii na fyzické vrstvě rovněž využijeme v souvislosti se systémy zabezpečenými proti výbuchu (Ex-proof), zatímco dále vyhovujeme i přísným omezením, pokud jde o maximální spotřebu energie.

Závěrem

Fyzická vrstva 10Mb ethernetu (10BASE-T1L) spojená s přenosem energie (Engineered Power / PoDL / SPoE) po dvou vodičích a na vzdálenost 1 km nahrává novým typům propojených a ještě dostupnějších zařízení zajišťujících v rámci IT/OT sítě ještě více hodnotných informací. Při automatizaci procesů a také ve výrobě to pak znamená vyšší produktivitu a menší spotřebu energií. V rámci automatizace budov zase počítejme s vyšší energetickou účinností, bezpečím a také komfortem. 10BASE-T1L MAC-PHY tak ve výsledku zlepšuje dostupnost nízkopříkonových zařízení. Pro více informací, pokud jde o řešení průmyslového ethernetu ADI Chronous™ a jeho rychlé nasazení v praxi, navštivte [3].

Odkazy:

[1] Obvody ADIN1100, https://www.analog.com/en/products/adin1100.html

[2] Obvody ADIN1110, https://www.analog.com/en/products/adin1110.html

[3] ADI Chronous™, https://www.analog.com/en/products/industrial-ethernet.html

Tabulka (jpg)

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik