Arbeiten mit Ethernet-MCUs mit PHY-Unterstützung für IPv4/IPv6 IoT

Erstellt: Juni 15, 2021
Aktualisiert am: Juni 25, 2023

Kleine MCUs sind die Arbeitspferde der meisten IoT-Produkte für den Verbrauchermarkt und einige industrielle Anwendungen. Wenn Sie einen kleinen, kostengünstigen Chip mit moderater Rechenleistung und einer Reihe von Geschwindigkeiten benötigen, werden Sie viele Optionen für MCUs auf dem Markt finden. MCUs bieten auch viele langsame Schnittstellen zu anderen Peripheriegeräten, was sie zu flexiblen Plattformen für die meisten IoT-Produkte macht.

Wenn wir an IoT-Produkte oder andere eingebettete Geräte denken, denken wir oft daran, dass sie sich über Wifi oder Bluetooth verbinden. Das mag auf Verbraucherebene zutreffen, wie bei Wearables und Smart-Home-Produkten. Ethernet wird jedoch so schnell nicht verschwinden, und viele kommerzielle und industrielle Anwendungen werden Ethernet ausgiebig für die Kommunikation nutzen. Es gibt auch Power over Ethernet (PoE) zu berücksichtigen, was den Designern eine nützliche Option zur Stromversorgung ihrer eingebetteten Geräte bietet.

Wenn Sie Ethernet für die Kommunikation zwischen Ihrem eingebetteten Gerät und einem größeren Netzwerk verwenden möchten, müssen Sie die MAC/PHY-Schichten in Ihr Gerät integrieren, damit Sie sich ordnungsgemäß mit einer Standard-RJ-45-Buchse verbinden können. Wenn Sie die Größe Ihres Systems minimieren möchten, können Sie einen Ethernet-MCU mit integrierter PHY- und MAC-Unterstützung verwenden. Hier sind einige Vorteile dieses Weges und einige Komponenten, die Sie auf dem Markt für Ihr System erwarten können.

Auswahl von Ethernet-MCUs mit einem PHY/MAC

Das Erste, was neue Ethernet-Designer beachten sollten, ist folgendes: MCUs integrieren nicht die Ethernet-PHY-Schicht in den Chip. Das heißt aber, dass einige MCUs die notwendige MAC-Schnittstelle enthalten, um direkt an die PHY-Schicht anzuschließen (d.h. magnetische Schaltungen, Bob-Smith-Terminierung und dann der Anschluss). Sie könnten auch direkt zu einem RJ-45 mit integrierter Magnetik (Magjack) führen.

Wenn Sie sich für einen MCU mit integrierter Ethernet-PHY/MAC-Unterstützung entschieden haben, welches Leistungsniveau können Sie von diesen Komponenten erwarten? Angesichts der breiten Palette an Funktionen in jedem MCU hängt das erwartete Leistungsniveau und der Funktionsumfang von dem Platz, den Sie akzeptieren können, und den Kosten, die Sie bereit sind zu zahlen, ab. Sie müssen möglicherweise auf einige andere Funktionen verzichten, wenn Sie einen MCU mit Ethernet verwenden möchten. Einige der unten gezeigten Komponenten enthalten immer noch alle Standard-Schnittstellen, die Sie in den meisten MCUs erwarten würden, einschließlich:

UART, I2C, SPI oder andere Bus-Schnittstellen
USB 2.0 oder 3.0 mit integrierter Host-Schnittstelle
Viele GPIOs zur Schnittstelle mit anderen ICs
PWM-Ausgänge mit einstellbarem Tastverhältnis

Wichtige Spezifikationen

Obwohl wir die Spezifikationen für jeden MCU mit Ethernet nicht verallgemeinern können, sehen wir einige allgemeine Trends bei diesen Geräten von führenden Komponentenherstellern:

Kosten: Der Preis eines MCUs mit Ethernet kann je nach Anzahl der Funktionen und I/Os stark variieren. Im Allgemeinen gibt es für jeden Wifi/Bluetooth-fähigen MCU einen anderen MCU mit Ethernet, der ähnliche Kosten und I/O-Anzahl aufweist.
Footprint: Diese MCUs kommen in standardmäßigen Oberflächenmontage-Footprints (QFN, TQFP usw.), die nahe genug an anderen MCU-Footprints mit vergleichbaren Spezifikationen sind. Einige Komponenten kommen in einem VFBGA, um Platz auf kleinen Platinen zu sparen.
Taktfrequenz und Base-T-Standard: Diese beiden Punkte sind im Allgemeinen miteinander verbunden, da die Datenrate im Ethernet durch die Taktfrequenz des Controllers begrenzt ist. Ein MCU mit Ethernet integriert im Wesentlichen einen Transceiver in die Komponente. Typische Komponenten sind schnell genug, um 10/100 Ethernet über Kupfer mit einem integrierten PHY und MAC zu unterstützen.
Andere Schnittstellen: Es wird schwer sein, einen MCU mit Ethernet zu finden, der nicht den Standard-Satz an langsamen Schnittstellen hat (viele GPIOs + SPI/I2C/UART). Einige der höherwertigen Komponenten können USB, CAN oder andere Schnittstellen unterstützen.

Mit all dem im Hinterkopf gibt es einige Anwendungen, bei denen es am besten ist, auf drahtlose Konnektivität zu verzichten und einfach Ethernet zu wählen. Einige der Vorteile sind Einfachheit, große Reichweite ohne drahtlose Zugangspunkte und vor allem Kosten und Größe. Man kann auch von der IEEE 1588 Präzisionszeitsteuerung über MII/RMII-Routing für Echtzeit-Datenanwendungen profitieren, was die Latenz von Bluetooth oder Wifi schön eliminiert. Letztendlich reduziert dies die Gesamtkomponentenzahl, indem ein externer MAC-Chip für die Schnittstelle mit der PHY-Schicht eliminiert wird.

Es gibt andere Punkte zu berücksichtigen, wenn Sie ein eingebettetes Gerät entwerfen, das Ethernet enthalten wird. Abgesehen von der Notwendigkeit anderer Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie USB, muss auch berücksichtigt werden, wie Ihr Gerät in eine größere Netzwerktopologie integriert wird, da dies Ihre MCU-Wahl beeinflussen wird. Einige Ethernet-MCUs können nicht verwendet werden, um eine Web-Schnittstelle für Benutzer über das Internet bereitzustellen, während andere verwendet werden können, um einen eingebetteten Server, Gateway oder Zugangspunkt in einem größeren Netzwerk zu bauen.

Netzwerkinfrastruktur und IP-Adressierung

Der Markt für IP-Adressen begann vor etwa 20 Jahren knapp zu werden, wobei der Bestand an traditionellen IPv4-Adressen zu schwinden begann. Obwohl die Erschöpfung der IPv4-Adressen bereits in den späten 1990er Jahren vorhergesehen wurde, wurde die letzte IPv4-Adresse erst 2012 zugeteilt, und ein neuer IPv6-Standard wurde 2017 angenommen. Neben dem Wachstum im Internetzeitalter ist ein Haupttreiber für den Übergang zum neuen IPv6-Format das Wachstum an kostengünstigen eingebetteten Geräten, die eine Verbindung zum Internet benötigen (entweder direkt als Server oder indirekt über einen Router).

Netzwerktopologie mit IPv4- und IPv6-Geräten mit einer IPv6-Adresse.

Eine Reihe von MCU-Modulen und Komponenten können diese Art von webintegrierter Architektur über Ethernet oder drahtlos unterstützen, indem sie sich mit einem Modem verbinden. Jetzt, da mehr Geräte die integrierte Mobilfunkkommunikation über ein Modem integrieren, benötigen Endkundengeräte möglicherweise kein Ethernet, es sei denn, sie verbinden sich mit einem lokalen Netzwerk und benötigen eine sehr zuverlässige Verbindung (Büro, Fabrikhalle usw.).

MCUs, die einen Ethernet PHY/MAC mit IPv6-Unterstützung enthalten, finden Anwendung in allen denselben Anwendungen wie IPv4. Es gibt den Mythos, dass IPv6 nicht rückwärtskompatibel mit IPv4 ist, aber diese Kompatibilität wird mit Network Address Translation (NAT) gehandhabt. Es gibt ein definiertes Format für eine IPv6-Adresse, die eine eingebettete IPv4-Adresse und die MAC-Adresse des Geräts enthält, was speziell die Rückwärtskompatibilität durch NAT ermöglicht. Das bedeutet, dass Sie Ihr Ethernet-kompatibles Embedded-Gerät als Upstream-Server/Router/Access Point konfigurieren können, solange es diese Übersetzung unterstützen kann.

Beispiel-MCUs mit Ethernet

Wenn Sie neu in der Embedded-Design für industrielle Systeme, Hausautomation oder andere kommerzielle Bereiche sind, haben Sie vielleicht die verfügbaren Optionen für MCUs, die Ethernet unterstützen, übersehen. Eine ganze Reihe der großen IC-Hersteller bieten Ethernet-fähige MCUs in ihren beliebten Produktlinien an. Hier sind einige der MCU-Produkte, die Sie auf dem Markt finden werden, die Ethernet unterstützen.

STMicroelectronics, STM32F40x

Die STM32F40x-Reihe ist Teil der sehr beliebten STM32-Familie von MCUs von STMicroelectronics. Diese Komponenten unterstützen intensivere Rechenaufgaben (32-Bit, 168 MHz) und können dank ihrer 3 High-Speed-ADCs (2,4 MSPS oder 7,6 MSPS mit Interleaving) mit einer breiten Palette von Sensoren interagieren. Einige Produkte enthalten auch DACs für Aufgaben wie die Erzeugung beliebiger Wellenformen. Diese Komponenten sind mit bis zu 176 Pins für flexible Footprint- und IO-Anzahloptionen verfügbar und unterstützen dennoch gängige Low-Speed-Schnittstellen sowie USB.

STM32F4x Ethernet-MCU mit PHY-Layer-Blockdiagramm. Quelle: STM32F4x-Datenblatt.

Microchip, PIC18F97J60

Der PIC18F97J60 von Microchip ist eine kostengünstige Option, die integriertes 10/100 Ethernet neben Unterstützung für RS-485, RS-232 und LIN/J2602 sowie andere Schnittstellen für industrielle Anwendungen bietet. Der Vorteil dieses MCUs ist, dass er alle Standard-Schnittstellen bietet, die man von einem MCU erwartet, ohne mit GPIO-Pins zu überladen, zu einem Preis von unter 10 $ pro Einheit. Sie können direkt zu einem RJ-45 mit integrierten Magnetics verbinden, was eine einfache Möglichkeit bietet, ein neues IoT-Produkt mit Ethernet zu bauen. Der Nachteil ist die langsame Taktrate (abgeleitet von einem 25 MHz Referenz) und 8-Bit-Verarbeitung, daher ist es am besten für leichte Embedded-Computing geeignet.

Dieser MCU ist eine gute Wahl für industrielle Anwendungen dank der RS-485/RS-232 Schnittstellen. Er kann auch für Anwendungen wie Halbbrücken- oder Vollbrücken-Motorsteuerung mit seinen PWM-Treiber-Ausgängen verkabelt werden. Diese Konfiguration verbindet den PWM-Ausgang des MCU mit externen FET-Treibern, die dann die Last antreiben, indem sie einen Phasenunterschied auf den Ausgangs-PWM-Signalen erzwingen. Durch Hinzufügen einer Rückkopplungsschleife mit einem Präzisionsmesswiderstand kann dieselbe Konfiguration verwendet werden, um einen Steueralgorithmus in Leistungswandlern oder anderen Systemen zu implementieren, die eine geregelte Ansteuerung einer Last bei hohem Strom erfordern.

PIC18F97J60 Ethernet MCU Halbbrücken- und Vollbrücken-Treiberkonfiguration. Quelle: PIC18F97J60 Datenblatt.

Texas Instruments, MSP432E4x

Als Teil der beliebten MSP432-Familie sind die MSP432E4x von Texas Instruments 32-Bit-MCUs mit integrierter Ethernet-Unterstützung. Dieses Bauteil gibt es in zwei Varianten. Der MSP432E401Y unterstützt CAN und umfasst 1 MB integrierten Flash mit 256 KB RAM. Der MSP432E411Y hat dieselben Spezifikationen, unterstützt aber zusätzlich TFT-LCD-Bildschirme. Weitere integrierte Funktionen umfassen 2 12-Bit-ADCs (2 MSPS), Verschlüsselungsunterstützung, 3 analoge Komparatoren und 16 digitale Komparatoren. Schließlich kann dieser MCU mit einer IPv4- oder IPv6-Adresse betrieben werden (TCP, UDP und ICMP).

MSP432E4x NFBGA-Paket und Landmuster. Quelle: Texas Instruments.

Weitere Komponenten, die Sie für eingebettete Geräte benötigen

Eingebettete Systeme enden nicht beim MCU und den Netzwerkfähigkeiten. Entwickler benötigen möglicherweise weitere Komponenten, um alles zu ergänzen, was einem MCU mit Ethernet fehlt. Wenn Sie weitere Hardwarefunktionen für kritische Funktionen in Ihrem System hinzufügen müssen, werfen Sie einen Blick auf einige andere Komponenten, die Sie für ein neues IoT-Produkt benötigen könnten:

Unabhängig davon, wo Ihr neues Produkt eingesetzt wird, können Sie mit den fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart einen Ethernet-MCU mit PHY- und MAC-Unterstützung finden. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart nutzen, haben Sie Zugriff auf aktuelle Distributorenpreise, Teilebestände und Spezifikationen der Bauteile, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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