Vereinfachte Implementierung von Single-Pair-Ethernet-Netzwerken für kritische, zeitabhängige Anwendungen

Die Highspeed-Ethernet-Kommunikation in Echtzeit wird für zeitkritische Anwendungen in der industriellen Automatisierung und in Automobilsystemen immer wichtiger. Bei der Erfüllung der Anforderungen für diese Art von Anwendungen stößt herkömmliches Multipair-Ethernet aufgrund seiner nicht deterministischen Leistung, sperrigen Kabelbäume und erhöhten Leistungsaufnahme häufig an seine Grenzen.

Effektivere Lösungen beruhen auf SPE-Standards (Single-Pair-Ethernet), die eine vereinfachte physikalische Schicht (PHY) bieten, aber Leistungsprobleme in Bezug auf eine größere Kabelreichweite und funktionale Sicherheit sowie Implementierungsprobleme im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit effektiver Designressourcen mit sich bringen können. Ingenieure benötigen eine umfassende Lösung, die die strengen Leistungsanforderungen für Echtzeit-SPE-Netzwerke erfüllt und gleichzeitig deren Implementierung beschleunigt.

Dieser Artikel beschreibt die Netzwerkanforderungen und die damit verbundenen Probleme, mit denen Entwickler kritischer, zeitabhängiger Anwendungen, insbesondere in der Industrie und im Automobilsektor, konfrontiert sind. Anschließend werden SPE-Lösungen von Microchip Technology vorgestellt, darunter ein Ethernet-PHY-Transceiver, Evaluierungsboards und zugehörige Design-Ressourcen, die Entwicklern helfen, die neuen Herausforderungen bei der Implementierung standardkonformer SPE-Netzwerksysteme zu meistern.

Wie kritische Anwendungsanforderungen die Nachfrage nach Echtzeit-Ethernet vorantreiben

Echtzeit-Ethernet spielt in vielen kritischen Industrie- und Automobilanwendungen eine immer größere Rolle. Im industriellen Internet der Dinge (IIoT) und in industriellen Steuerungssystemen erfordert die hochpräzise Koordination zwischen Sensoren, Steuerungen und Aktoren deterministische Kommunikationsnetzwerke, die durch Protokolle wie das IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) ermöglicht werden. In Automobilanwendungen, einschließlich moderner Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Infotainment- und Telematik-Subsysteme, muss ein zuverlässiger Echtzeit-Datenaustausch den extremen Bedingungen der Fahrzeugumgebung standhalten.

Ob in der Fabrikhalle oder im Fahrzeug, zeitkritische Netzwerke müssen niedrige und begrenzte Latenzzeiten, hohe Fehlertoleranz und minimalen Jitter garantieren. Die Fähigkeit, die Synchronisation zwischen den Geräten aufrechtzuerhalten, ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere in Umgebungen, in denen Reaktionszeiten im Millisekundenbereich für den Systembetrieb und die Sicherheit entscheidend sind. Gleichzeitig müssen die Vernetzungslösungen dem begrenzten Platz Rechnung tragen, der für Netzsubsysteme in Fertigungszellen oder Fahrzeugchassis zur Verfügung steht.

Wie man die Netzwerkanforderungen für zeitkritische Anwendungen mit begrenztem Platzangebot erfüllt

Unter den Standards IEEE 802.3bw (100BASE-T1) und IEEE 802.3bp (1000BASE-T1) für Gigabit-Ethernet (GbE) in industriellen und automobilen Anwendungen hat sich SPE als optimierte PHY-Alternative zu konventionellem Ethernet etabliert. SPE erfüllt die strengen Anforderungen zeitkritischer Anwendungen und reduziert gleichzeitig die Komplexität der Kabel und die Systemkosten. Trotz dieser Vorteile stehen die Entwickler von SPE-basierten Netzwerken immer noch vor der Herausforderung, geeignete Geräte zu integrieren und deren Funktionssicherheit zu gewährleisten.

Der 1000BASE-T1-SPE-PHY-Transceiver LAN8872 von Microchip Technology (Abbildung 1) und die zugehörigen Design-Ressourcen unterstützen Entwickler bei der Bewältigung dieser neuen Herausforderungen bei der Implementierung standardkonformer SPE-Netzwerke. Der LAN8872 integriert ein komplettes PHY-Subsystem, einschließlich einer physikalischen Kodier-Subschicht (PCS), einer Finite-State-Maschine (FSM), einem analogen Frontend (AFE), einem Low-Dropout-Regler (LDO), Spannungsüberwachung, On-Chip-Terminierung und integrierter Filterung.

Abbildung 1: Der LAN8872 bietet einen integrierten 1000BASE-T1-PHY-Transceiver mit PCS, LDO-Regler, Spannungsüberwachung, AFE, FSM, On-Chip-Terminierung und integrierter Filterung. (Bildquelle: Microchip Technology)

Durch die integrierte Unterstützung der Präzisions-Taktsynchronisationsprotokolle IEEE 1588-2019 und IEEE 802.1AS-2020 ist der LAN8872 vollständig kompatibel mit den Standards AVB (Audio-Video-Bridging) und TSN (Time-Sensitive Networking) nach IEEE 802.1 für Echtzeit-Ethernet-Netzwerke. Die deterministischen Timing-Fähigkeiten des LAN8872 helfen Entwicklern, eine enge Synchronisation über mehrere Systeme hinweg aufrechtzuerhalten, während seine Energiemanagement-Fähigkeiten den Bedarf an robuster energiesparender Vernetzung selbst in rauen Umgebungen erfüllen.

Vereinfachung des Entwurfs von SPE-Netzwerken mit geringem Stromverbrauch

Der LAN8872 enthält die energieeffiziente EtherGREEN-Technologie von Microchip, die es dem Bauteil ermöglicht, in seinem Ultra-Low-Power-Sleep-Modus typischerweise nur 15 Mikroampere (μA) zu verbrauchen. Das Bauteil unterstützt die Standard-Remote-Sleep- und Wake-up-Mechanismen des OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10) und kann Sleep-Anforderungen erkennen und auf WAKE_IN-Impulse hin aufwachen. Sein INH-Ausgang ermöglicht es dem Bauteil, die Versorgung des elektronischen Steuergeräts (ECU) zu aktivieren oder zu deaktivieren. Die in den LAN8872 integrierte FlexPWR-Energieverwaltungstechnologie von Microchip ermöglicht weitere Energieeinsparungen durch variable I/O- und Kern-Versorgungsspannungen.

Der hohe Integrationsgrad des LAN8872 vereinfacht das Design weiter. Neben der umfangreichen integrierten Funktionalität ermöglichen die On-Chip-Abschlusswiderstände und die integrierte Übertragungsfilterung Lösungen mit kompaktem Footprint und geringen elektromagnetischen Störungen (EMI). Für die Integration auf Systemebene verfügt der LAN8872 über einen Referenztaktausgang und eine serielle, medienunabhängige Gigabit-Standardschnittstelle (SGMII), die die Schnittstellen zu Ethernet-Media-Access-Controllern (MACs) oder MAC-fähigen Geräten, einschließlich Systems-on-Chip (SoCs), Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) und feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs), vereinfachen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Entwickler benötigen nur wenige zusätzliche Komponenten, um den PHY-Transceiver LAN8872 in ihre SPE-Netzwerklösungen zu integrieren. (Bildquelle: Microchip Technology)

Der LAN8872 entspricht IEEE 802.3bp-2016 und wurde entwickelt, um Gigabit-Performance über ein einziges Kabelpaar zu liefern und gleichzeitig die Fehlersuche in kritischen Industrie- und Automobilnetzwerken zu unterstützen. Das Bauteil unterstützt die Netzwerkdiagnose mit Funktionen wie der Erkennung von Kabeldefekten (Kurzschlüsse oder Unterbrechungen), einem Empfänger-Signalqualitätsindikator (SQI), Übertemperaturschutz, Unterspannungsschutz, umfassender Status-Interrupt-Unterstützung und verschiedenen Loopback- und Testmodi.

Beschleunigung des Designs von LAN8872-basierten SPE-Lösungen

Um das Design und die Entwicklung zu beschleunigen, bietet Microchip Evaluierungsboards an, die auf die unterschiedlichen Anforderungen der Entwickler zugeschnitten sind. Zur Erleichterung von Designtests und -validierungen auf Systemebene bietet das EVB-LAN8870-MC-Evaluierungsboard EV75E52A von Microchip (Abbildung 3) einen vollständigen Medienkonverter, der 1000BASE-T1 und Standard-Gigabit-Ethernet überbrückt. Entwickler schließen einfach ein CAT5-Ethernet-Kabel von ihrem GbE-Port an die RJ-45-Buchse der Karte an und verbinden ein einzelnes Twisted-Pair-Kabel von ihrem SPE-Netzwerk mit dem T1-Automobil-Ethernet-Anschluss der Karte.

Abbildung 3: Das EVB-LAN8870-MC-Evaluierungsboard EV75E52A bietet einen kompletten Medienkonverter zum Testen von Designs, die SPE-Netzwerke mit Gigabit Ethernet verbinden. (Bildquelle: Microchip Technology)

Für Entwickler, die sich auf die Evaluierung von PHY-Fähigkeiten konzentrieren, bietet das EVB-LAN8870-RGMII-Board EV39G24A von Microchip (Abbildung 4) ein vollständiges PHY-Subsystem mit einer direkten PHY-Schnittstelle.

Abbildung 4: Das EVB-LAN8870-RGMII-Board EV39G24A bietet ein vollständiges PHY-Subsystem für die PHY-Evaluierung in SPE-Designs. (Bildquelle: Microchip Technology)

Das EVB-LAN8870-RGMII-Board (Abbildung 5, links) ist so konzipiert, dass es über seinen PHY-Schnittstellenanschluss an Microchip-Ethernet-Entwicklungssysteme (EDS) angeschlossen werden kann, darunter das EVB-LAN7801-EDS EV88E76A und das EVB-LAN7431-EDS (Abbildung 5, rechts).

Abbildung 5: Entwickler können die EVB-LAN8870-RGMII-PHY-Karte (links) in EDS-Karten wie die EVB-LAN7431-EDS (rechts) einstecken, um über Entwicklungshosttreiber auf alle PHY-Register zuzugreifen. (Bildquelle: Microchip Technology)

Entwickler, die mit dem EVB-LAN8870-RGMII-Board arbeiten, können über EDS-Boardtreiber, die auf Windows- oder Linux-Hosts laufen, auf alle PHY-Register zugreifen. Wer mit dem EVB-LAN8870-MC arbeitet, kann die Performance des Transceivers über ein Windows-basiertes Softwarepaket mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI) konfigurieren und überwachen.

Um die Entwicklung kundenspezifischer SPE-Designs zu beschleunigen, bietet Microchip umfassende Referenzschaltpläne und Konfigurationsrichtlinien sowie ein umfangreiches Software-Ökosystem zur Unterstützung der LAN8872-Integration. Treiber sind für gängige Plattformen verfügbar, darunter Linux, FreeRTOS und AUTOSAR. Das Embedded-Software-Entwicklungsframework MPLAB Harmony von Microchip umfasst integrierte Treiber, Peripherie-Bibliotheken und Code-Configurator-Unterstützung, die die Konfiguration und das Testen von LAN8872-PHY-Designs optimiert.

Über diese Entwicklungsressourcen hinaus bietet der kostenlose Design-Review-Service MicroCHECK von Microchip direkte Unterstützung für jede Phase der Implementierung vom Konzept bis zum Layout. Mit dem MicroCHECK-Service können Entwickler ihre Schaltpläne und Leiterplatten-Layouts zur Prüfung durch Experten einreichen und erhalten ein umsetzbares Feedback zur Signalintegrität, Stromverteilung und Einhaltung der empfohlenen Designpraktiken. Durch die Nutzung des MicroCHECK-Dienstes in frühen Designphasen können Entwickler das Risiko von PHY-bezogenen Implementierungsproblemen, die später im Produktionsprozess auftreten, minimieren.

In einem typischen Entwicklungs-Workflow beginnen die Entwickler mit der Evaluierung der PHY-Fähigkeiten in ihrem Design unter Verwendung eines Referenzboards von Microchip. Nach der Validierung der PHY-Performance und des Verhaltens in der Zielumgebung wird der PHY anhand von Referenzschaltplänen und Layoutempfehlungen in ein kundenspezifisches Design integriert. Bevor sie sich zum Bau eines Prototyps verpflichten, reichen die Entwickler ihr Design zur Überprüfung durch MicroCHECK ein, um sicherzustellen, dass ihre Implementierung robust und produktionsreif ist.

Fazit

Da Echtzeit-Ethernet in immer mehr industriellen und automobilen Anwendungen unverzichtbar wird, stehen die Entwickler unter wachsendem Druck, kompakte, standardkonforme und stromsparende Netzwerklösungen zu implementieren. Der 1000BASE-T1-PHY LAN8872 von Microchip wird durch umfassende Ressourcen und fachkundige Unterstützung bei der Projektprüfung unterstützt und trägt dazu bei, die Entwicklung von Designs zu beschleunigen, die für eine zuverlässige und leistungsstarke SPE-Vernetzung erforderlich sind.