Trabajando con MCUs Ethernet con soporte PHY para IoT IPv4/IPv6

Creado: Junio 15, 2021
Actualizado: Junio 25, 2023

Los pequeños MCUs son los caballos de batalla de la mayoría de los productos IoT para el nivel de consumo y algunas aplicaciones industriales. Si necesitas un chip pequeño, de bajo costo, con un poder de cómputo moderado y una gama de velocidades, verás muchas opciones de MCUs en el mercado. Los MCUs también vienen con muchas interfaces de baja velocidad para otros periféricos, haciendo a los MCUs plataformas flexibles para la mayoría de los productos IoT.

Cuando pensamos en productos IoT u otros dispositivos embebidos, a menudo pensamos en su conexión a través de Wifi o Bluetooth. Esto puede ser cierto a nivel de consumo, como en el caso de los wearables y productos para el hogar inteligente. Sin embargo, Ethernet no va a desaparecer pronto, y muchas aplicaciones comerciales e industriales harán un uso copioso de Ethernet para la comunicación. También hay que considerar la energía sobre Ethernet (PoE), que ofrece a los diseñadores una opción útil para alimentar sus dispositivos embebidos.

Si quieres usar Ethernet para la comunicación entre tu dispositivo embebido y una red más grande, necesitarás integrar las capas MAC/PHY en tu dispositivo para que puedas interfazarte correctamente con un conector RJ-45 estándar. Si deseas minimizar el tamaño de tu sistema, puedes usar un MCU Ethernet con soporte PHY y MAC integrado en el controlador. Aquí están algunos de los beneficios de tomar este camino y algunos componentes que puedes esperar encontrar en el mercado para tu sistema.

Seleccionando MCUs Ethernet con un PHY/MAC

Lo primero que los nuevos diseñadores de Ethernet deben notar es esto: los MCUs no incluyen la capa Ethernet PHY integrada en el chip. Dicho esto, algunos MCUs sí incluyen la interfaz MAC necesaria para conectar directamente a la capa PHY (es decir, circuitos magnéticos, terminación Bob Smith y luego el conector). También podrías conectar directamente a un RJ-45 con magnéticos integrados (magjack).

Si has optado por usar un MCU con soporte Ethernet PHY/MAC integrado, ¿qué nivel de rendimiento puedes esperar de estos componentes? Dado el amplio rango de características en cualquier MCU, el nivel de rendimiento esperado y el conjunto de características depende del espacio que puedas aceptar y el costo que estés dispuesto a pagar. Puede que necesites sacrificar algunas otras características si quieres usar un MCU con Ethernet. Algunos de los componentes que mostraremos a continuación aún incluyen todas las interfaces estándar que esperarías en la mayoría de los MCUs, incluyendo:

UART, I2C, SPI, u otras interfaces de bus
USB 2.0 o 3.0 con una interfaz de host integrada
Plenty of GPIOs para interfaz con otros ICs
Salidas PWM con ciclo de trabajo ajustable

Especificaciones Importantes

Aunque no podemos generalizar las especificaciones para cada MCU con Ethernet, podemos ver algunas tendencias generales en estos dispositivos de los principales fabricantes de componentes:

Costo: El precio de un MCU con Ethernet puede variar considerablemente dependiendo del número de características y E/S que necesites. En general, por cada MCU habilitado para Wifi/Bluetooth, hay otro MCU con Ethernet que tiene un costo y un recuento de E/S similar.
Huella: Estos MCUs vienen en huellas estándar de montaje superficial (QFN, TQFP, etc.) que son lo suficientemente cercanas a otras huellas de MCU con especificaciones comparables. Algunos componentes vienen en un VFBGA para ahorrar espacio en placas pequeñas.
Velocidad de reloj y estándar Base-T: Estos dos puntos generalmente están relacionados ya que la tasa de datos en el Ethernet está limitada por la velocidad de reloj del controlador. Un MCU con Ethernet básicamente integra un transceptor en el componente. Los componentes típicos son lo suficientemente rápidos para soportar Ethernet 10/100 sobre cobre con un PHY y MAC integrados.
Otras interfaces: Será difícil encontrar un MCU con Ethernet que no tenga el conjunto estándar de interfaces de baja velocidad (muchos GPIOs + SPI/I2C/UART). Algunos de los componentes de gama alta pueden soportar USB, CAN u otras interfaces.

Con todo esto en mente, hay algunas aplicaciones donde es mejor descartar la conectividad inalámbrica y optar por Ethernet. Algunas de las ventajas incluyen simplicidad, largo alcance sin puntos de acceso inalámbricos y, lo más importante, costo y tamaño. También puedes aprovechar el control de tiempo de precisión IEEE 1588 sobre el enrutamiento MII/RMII para aplicaciones de datos en tiempo real, lo que elimina muy bien la latencia de Bluetooth o Wifi. Finalmente, esto reduce el conteo total de componentes al eliminar un chip MAC externo para interfaz con la capa PHY.

Hay otros puntos a considerar si estás diseñando un dispositivo embebido que incluirá Ethernet. Además de la necesidad de otras interfaces de alta velocidad como USB, también es necesario considerar cómo tu dispositivo se integrará en una topología de red más grande, ya que esto influirá en tu elección de MCU. Algunos MCUs de Ethernet no pueden usarse para servir una interfaz web a usuarios a través de internet, mientras que otros pueden usarse para construir un servidor embebido, una pasarela o un punto de acceso en una red más grande.

Infraestructura de Red y Direcciones IP

El mercado de direcciones IP comenzó a escasear hace unos 20 años, con el lote de direcciones IPv4 tradicionales comenzando a agotarse. Aunque se anticipó la exhaustividad de las direcciones IPv4 a finales de los años 90, la última dirección IPv4 no se asignó hasta 2012, y un nuevo estándar IPv6 fue adoptado en 2017. Además del crecimiento en la era de internet, un importante impulsor del movimiento hacia el nuevo formato IPv6 es el crecimiento en dispositivos embebidos de bajo costo que necesitan conectarse a internet (ya sea directamente como un servidor o indirectamente a través de un router).

Topología de red con dispositivos IPv4 e IPv6 con una dirección IPv6.

Un número de módulos y componentes MCU pueden soportar este tipo de arquitectura integrada a la web a través de Ethernet o inalámbricamente conectándose a un módem. Ahora, con más dispositivos integrando comunicación celular a bordo a través de un módem, los dispositivos finales pueden no necesitar Ethernet a menos que se estén conectando a un sitio local y necesiten una conexión muy confiable (oficina, planta de producción, etc.).

Los MCUs que incluyen un PHY/MAC de Ethernet con soporte para IPv6 encontrarán aplicabilidad en cualquiera de las mismas aplicaciones que IPv4. Existe el mito de que IPv6 no es compatible hacia atrás con IPv4, pero esta compatibilidad se maneja con la Traducción de Direcciones de Red (NAT). Hay un formato definido para una dirección IPv6 que contiene una dirección IPv4 embebida y la dirección MAC del dispositivo, lo que específicamente permite la compatibilidad hacia atrás a través de NAT. Esto significa que puedes configurar tu dispositivo embebido compatible con Ethernet como un servidor/router/punto de acceso ascendente siempre y cuando pueda soportar esta traducción.

Ejemplo de MCUs con Ethernet

Si eres nuevo en el diseño embebido para sistemas industriales, automatización del hogar u otras áreas comerciales, podrías haber pasado por alto las opciones disponibles para MCUs que soportan Ethernet. Bastantes de los principales fabricantes de IC ofrecen MCUs capaces de Ethernet en sus líneas de productos populares. Aquí hay algunos de los productos MCU que encontrarás en el mercado que soportan Ethernet.

STMicroelectronics, STM32F40x

La línea STM32F40x es parte de la muy popular familia STM32 de MCUs de STMicroelectronics. Estos componentes soportan tareas de computación más intensas (32-bit, 168 MHz) y pueden interfazarse con una amplia gama de sensores gracias a sus 3 ADCs de alta velocidad (2.4 MSPS, o 7.6 MSPS con entrelazado). Algunos productos también incluyen DACs para tareas como la generación de formas de onda arbitrarias. Estos componentes están disponibles hasta con 176 pines para opciones flexibles de huella y conteo de IO mientras aún soportan interfaces comunes de baja velocidad, así como USB.

MCU STM32F4x Ethernet con diagrama de bloque de la capa PHY. Fuente: Hoja de datos de STM32F4x.

Microchip, PIC18F97J60

El PIC18F97J60 de Microchip es una opción de bajo costo que proporciona Ethernet integrado 10/100 junto con soporte para RS-485, RS-232 y LIN/J2602, y otras interfaces para aplicaciones industriales. La ventaja de este MCU es que ofrece todas las interfaces estándar que esperarías en un MCU sin sobrecargar en pines GPIO a un costo de menos de $10 por unidad. Puedes conectar directamente a un RJ-45 con magnéticos integrados, dando una manera simple de construir un nuevo producto IoT con Ethernet. La desventaja es la baja velocidad de reloj (derivada de una referencia de 25 MHz) y el procesamiento de 8 bits, por lo que es mejor para computación embebida ligera.

Este MCU es una buena opción para aplicaciones industriales gracias a las interfaces RS-485/RS-232. También puede ser configurado para soportar aplicaciones como control de motores de medio puente o puente completo con sus salidas de controlador PWM. Esta configuración utiliza la salida PWM del MCU con controladores FET externos, los cuales luego impulsan la carga al imponer una diferencia de fase en las señales PWM de salida. Al añadir un bucle de retroalimentación con una resistencia de detección de precisión, la misma configuración puede usarse para implementar un algoritmo de control en convertidores de potencia u otros sistemas que requieran la conducción regulada de una carga a alta corriente.

Configuración de controlador de medio puente y puente completo del MCU Ethernet PIC18F97J60. Fuente: Hoja de datos de PIC18F97J60.

Texas Instruments, MSP432E4x

Parte de la popular familia MSP432, los MSP432E4x de Texas Instruments son MCUs de 32 bits con soporte Ethernet integrado. Este componente viene en dos variedades. El MSP432E401Y soporta CAN e incluye 1 MB de Flash integrado con 256 KB de RAM. El MSP432E411Y tiene las mismas especificaciones pero también incluye soporte para pantallas TFT LCD. Otras características integradas incluyen 2 ADCs de 12 bits (2 MSPS), soporte para encriptación, 3 comparadores analógicos y 16 comparadores digitales. Finalmente, este MCU puede operar con una dirección IPv4 o IPv6 (TCP, UDP e ICMP).

Paquete NFBGA y patrón de tierras de MSP432E4x. Fuente: Texas Instruments.

Otros Componentes que Necesitas para Dispositivos Embebidos

Los sistemas embebidos no se limitan al MCU y las capacidades de red. Los diseñadores pueden necesitar otros componentes para compensar cualquier deficiencia en un MCU con Ethernet. Cuando necesites agregar más funciones de hardware para características críticas en tu sistema, echa un vistazo a algunos otros componentes que podrías necesitar para un nuevo producto IoT:

No importa dónde se vaya a implementar tu nuevo producto, puedes encontrar un MCU Ethernet con soporte PHY y MAC utilizando las funciones avanzadas de búsqueda y filtrado en Octopart. Cuando utilizas el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrás acceso a datos actualizados de precios de distribuidores, inventario de partes y especificaciones de partes, y todo ello accesible de manera gratuita en una interfaz fácil de usar. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para encontrar los componentes que necesitas.

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