Giao tiếp Ethernet thời gian thực tốc độ cao ngày càng trở nên quan trọng đối với các ứng dụng nhạy cảm với thời gian trong hệ thống ô tô và tự động hóa công nghiệp. Ethernet nhiều cặp truyền thống thường không đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng như vậy do hiệu suất không ổn định, dây cáp cồng kềnh và mức tiêu thụ điện năng cao.
Một giải pháp hiệu quả hơn dựa trên tiêu chuẩn Ethernet cặp đơn (SPE), tiêu chuẩn này có thể cung cấp lớp vật lý đơn giản (PHY), nhưng có thể đặt ra những thách thức về hiệu suất xét về khoảng cách truyền cáp dài và tính sẵn sàng về an toàn chức năng, cũng như các thách thức triển khai liên quan đến việc có được tài nguyên thiết kế hiệu quả. Các kỹ sư cần một giải pháp toàn diện có thể đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu suất của mạng SPE thời gian thực đồng thời đẩy nhanh tốc độ triển khai.
Bài viết này phác thảo các yêu cầu về mạng và các vấn đề liên quan mà các nhà thiết kế các ứng dụng quan trọng, nhạy cảm với thời gian phải đối mặt, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp và ô tô. Sau đó, giải pháp SPE của Microchip Technology được giới thiệu, bao gồm bộ thu phát Ethernet PHY, bảng đánh giá và các tài nguyên thiết kế liên quan, có thể giúp các nhà thiết kế giải quyết những thách thức mới gặp phải khi triển khai các hệ thống mạng SPE tuân thủ tiêu chuẩn.
Các yêu cầu ứng dụng chính thúc đẩy nhu cầu về Ethernet thời gian thực như thế nào
Ethernet thời gian thực đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và ô tô quan trọng. Trong Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) và các hệ thống điều khiển công nghiệp, sự phối hợp có độ chính xác cao giữa các cảm biến, bộ điều khiển và bộ truyền động yêu cầu các giao thức như Giao thức thời gian chính xác (PTP) của IEEE 1588 để hỗ trợ các mạng truyền thông xác định. Trong các ứng dụng ô tô, bao gồm hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS), thông tin giải trí và các hệ thống con xử lý thông tin từ xa, việc trao đổi dữ liệu theo thời gian thực đáng tin cậy đòi hỏi khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt trong môi trường xe.
Dù ở trong xưởng sản xuất hay trong ô tô, các mạng nhạy cảm về thời gian phải đảm bảo độ trễ thấp và giới hạn, khả năng chịu lỗi cao và độ giật tối thiểu. Khả năng duy trì đồng bộ hóa giữa các thiết bị là rất quan trọng, đặc biệt là trong các môi trường có thời gian phản hồi tính bằng mili giây rất quan trọng đối với hoạt động và bảo mật hệ thống. Đồng thời, các giải pháp mạng phải thích ứng với không gian hạn chế của các hệ thống con mạng trong các đơn vị sản xuất hoặc khung gầm xe.
Cách đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng có giới hạn về không gian và thời gian cho mạng
Theo tiêu chuẩn IEEE 802.3bw (100BASE-T1) và IEEE 802.3bp (1000BASE-T1), SPE phù hợp với Gigabit Ethernet (GbE) trong các ứng dụng công nghiệp và ô tô và đã trở thành lớp vật lý đơn giản thay thế cho Ethernet truyền thống. SPE hỗ trợ các yêu cầu nghiêm ngặt cho các ứng dụng nhạy cảm về thời gian đồng thời giảm độ phức tạp của cáp và chi phí hệ thống. Tuy nhiên, bất chấp những lợi thế này, các nhà thiết kế mạng dựa trên SPE vẫn phải đối mặt với những thách thức trong việc tích hợp các thiết bị phù hợp và đảm bảo tính sẵn sàng về mặt chức năng bảo mật của chúng.
Bộ thu phát LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY của Microchip Technology (Hình 1) và các tài nguyên thiết kế liên quan có thể giúp các nhà phát triển giải quyết những thách thức mới nổi này khi triển khai các mạng SPE tuân thủ tiêu chuẩn. LAN8872 tích hợp một hệ thống con PHY hoàn chỉnh, bao gồm lớp con mã hóa vật lý (PCS), máy trạng thái hữu hạn (FSM), giao diện người dùng tương tự (AFE), bộ điều chỉnh độ rớt thấp (LDO), giám sát điện áp, đầu cuối trên chip và lọc tích hợp.
Sơ đồ nguyên lý của Microchip LAN8872 tích hợp bộ thu phát 1000BASE-T1 PHY (click để phóng to)
Hình 1: LAN8872 cung cấp bộ thu phát PHY 1000BASE-T1 tích hợp, bao gồm PCS, bộ điều chỉnh LDO, giám sát điện áp AFE、FSM、 Các chức năng hoàn chỉnh như đầu cuối trên chip và lọc tích hợp. (Nguồn ảnh: Microchip Technology)
LAN8872 được tích hợp hỗ trợ cho các tiêu chuẩn giao thức đồng bộ hóa đồng hồ chính xác IEEE 1588-2019 và IEEE 802.1AS-2020, đồng thời hoàn toàn tương thích với các tiêu chuẩn kết nối âm thanh và video Ethernet (AVB) thời gian thực và mạng nhạy cảm với thời gian IEEE 802.1 (TSN). Chức năng xác định thời gian của LAN8872 có thể giúp các nhà phát triển duy trì sự đồng bộ hóa chặt chẽ giữa nhiều hệ thống và chức năng quản lý năng lượng của nó có thể đáp ứng nhu cầu của mọi người về kết nối mạnh mẽ, tiêu thụ điện năng thấp ngay cả trong môi trường khắc nghiệt.
Đơn giản hóa thiết kế mạng SPE công suất thấp
LAN8872 áp dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng EtherGREEN của Microchip, cho phép thiết bị đạt được mức tiêu thụ thông thường chỉ 15 microamper (μ A) ở chế độ ngủ năng lượng cực thấp. Thiết bị này hỗ trợ cơ chế đánh thức và ngủ từ xa theo tiêu chuẩn Ủy ban kỹ thuật OPEN Alliance 10 (TC10), đồng thời có thể nhận biết các yêu cầu ngủ và phản hồi xung đánh thức WAKE-IN. Đầu ra INH của nó cho phép thiết bị bật hoặc tắt nguồn điện của bộ điều khiển điện tử (ECU). LAN8872 được trang bị công nghệ quản lý nguồn FlexPWR của Microchip, giúp tiết kiệm năng lượng hơn nữa thông qua I/O và điện áp nguồn lõi thay đổi.
Khả năng tích hợp cao của LAN8872 giúp đơn giản hóa hơn nữa việc thiết kế. Ngoài các chức năng tích hợp mở rộng, sự kết hợp giữa điện trở đầu cuối trên chip và khả năng lọc truyền dẫn tích hợp giúp giải pháp có kích thước nhỏ gọn và ít nhiễu điện từ (EMI). Để tích hợp ở cấp hệ thống, LAN8872 có đầu ra xung nhịp tham chiếu và giao diện độc lập phương tiện gigabit nối tiếp (SGMII) tiêu chuẩn, đơn giản hóa giao diện với bộ điều khiển truy cập phương tiện Ethernet (MAC) hoặc các thiết bị có chức năng MAC, bao gồm hệ thống trên chip (SoC), vi điều khiển (MCU) và mảng cổng lập trình trường (FPGA) (Hình 2).
Sơ đồ thu phát Microchip ATA8520D Sigfox
Hình 2: Các nhà phát triển chỉ cần một vài thành phần bổ sung để tích hợp bộ thu phát LAN8872 PHY vào giải pháp mạng SPE của họ. (Nguồn ảnh: Microchip Technology)
LAN8872 tuân thủ tiêu chuẩn IEEE 802.3bp-2016 và được thiết kế để cung cấp hiệu suất gigabit thông qua một cặp dây đồng thời hỗ trợ khắc phục sự cố trong các mạng công nghiệp và ô tô quan trọng. Thiết bị này rất hữu ích cho việc chẩn đoán mạng và các tính năng của nó bao gồm phát hiện lỗi cáp ngắn mạch hoặc mạch hở, chỉ báo chất lượng tín hiệu máy thu (SQI), bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ điện áp thấp, hỗ trợ ngắt trạng thái đầy đủ và các chế độ kiểm tra và vòng lặp khác nhau.
Tăng tốc thiết kế giải pháp SPE dựa trên LAN8872
Để đẩy nhanh tốc độ thiết kế và phát triển, Microchip cung cấp các bảng đánh giá để đáp ứng yêu cầu của các nhà phát triển khác nhau. Để thuận tiện cho việc kiểm tra và xác nhận thiết kế cấp hệ thống, bo mạch đánh giá EV75E52A EVB-LAN8870-MC của Microchip (Hình 3) cung cấp một bộ chuyển đổi phương tiện hoàn chỉnh có thể kết nối 1000BASE-T1 và Gigabit Ethernet tiêu chuẩn. Các nhà phát triển chỉ cần kết nối cáp Ethernet CAT5 từ cổng GbE với giao diện RJ-45 của bảng mạch, sau đó kết nối cáp xoắn đôi từ mạng SPE với giao diện Ethernet ô tô T1 của bảng mạch.