Travailler avec des MCU Ethernet avec support PHY pour IoT IPv4/IPv6

Les petits MCU sont les chevaux de bataille de la plupart des produits IoT pour le niveau consommateur et certaines applications industrielles. Si vous avez besoin d'une puce petite et peu coûteuse avec une puissance de calcul modérée et une gamme de vitesses, vous trouverez de nombreuses options de MCU sur le marché. Les MCU offrent également de nombreuses interfaces à basse vitesse avec d'autres périphériques, rendant les MCU des plateformes flexibles pour la plupart des produits IoT.

Lorsque nous pensons aux produits IoT ou à d'autres dispositifs embarqués, nous les imaginons souvent se connectant via Wifi ou Bluetooth. Cela peut être vrai au niveau consommateur, comme pour les appareils portables et les produits de maison intelligente. Cependant, l'Ethernet n'est pas près de disparaître, et de nombreuses applications commerciales et industrielles vont utiliser abondamment l'Ethernet pour la communication. Il y a aussi l'alimentation par Ethernet (PoE) à considérer, qui offre aux concepteurs une option utile pour alimenter leurs dispositifs embarqués.

Si vous souhaitez utiliser l'Ethernet pour la communication entre votre dispositif embarqué et un réseau plus large, vous devrez intégrer les couches MAC/PHY dans votre dispositif pour pouvoir vous interfacer correctement avec une prise RJ-45 standard. Si vous souhaitez minimiser la taille de votre système, vous pouvez utiliser un MCU Ethernet avec support PHY et MAC intégré dans le contrôleur. Voici certains des avantages de cette approche et quelques composants que vous pouvez vous attendre à trouver sur le marché pour votre système.

Sélectionner des MCU Ethernet avec un PHY/MAC

La première chose que les nouveaux concepteurs Ethernet doivent noter est la suivante : les MCU n'incluent pas la couche PHY Ethernet intégrée dans la puce. Cela dit, certains MCU incluent l'interface MAC nécessaire pour se connecter directement à la couche PHY (c'est-à-dire, circuits magnétiques, terminaison Bob Smith, puis le connecteur). Vous pourriez également vous diriger directement vers un RJ-45 avec magnétiques intégrés (magjack).

Si vous avez opté pour un MCU avec support PHY/MAC Ethernet intégré, quel niveau de performance pouvez-vous attendre de ces composants ? Étant donné la large gamme de fonctionnalités dans n'importe quel MCU, le niveau de performance et l'ensemble de fonctionnalités attendus dépendent de l'empreinte que vous pouvez accepter et du coût que vous êtes prêt à payer. Vous devrez peut-être sacrifier certaines autres fonctionnalités si vous souhaitez utiliser un MCU avec Ethernet. Certains des composants que nous allons montrer ci-dessous incluent toujours toutes les interfaces standard que vous attendez dans la plupart des MCU, y compris :

• UART, I2C, SPI, ou d'autres interfaces de bus

• USB 2.0 ou 3.0 avec une interface hôte intégrée

• Beaucoup de GPIOs pour interfacer avec d'autres CI

• Sorties PWM avec cycle de travail réglable

Spécifications importantes

Bien que nous ne puissions pas généraliser les spécifications pour chaque MCU avec Ethernet, nous pouvons voir certaines tendances générales dans ces dispositifs des principaux fabricants de composants :

• Coût : Le prix d'un MCU avec Ethernet peut varier considérablement en fonction du nombre de fonctionnalités et d'E/S dont vous avez besoin. En général, pour chaque MCU activé Wifi/Bluetooth, il existe un autre MCU avec Ethernet ayant un coût et un nombre d'E/S similaires.

• Empreinte : Ces MCU sont disponibles dans des empreintes standard de montage en surface (QFN, TQFP, etc.) qui sont assez proches d'autres empreintes de MCU aux spécifications comparables. Certains composants sont disponibles en VFBGA pour économiser de l'espace sur les petits circuits imprimés.

• Vitesse d'horloge et norme Base-T : Ces deux points sont généralement liés car le débit de données dans l'Ethernet est limité par la vitesse d'horloge du contrôleur. Un MCU avec Ethernet intègre essentiellement un transceiver dans le composant. Les composants typiques sont suffisamment rapides pour supporter l'Ethernet 10/100 sur cuivre avec un PHY et un MAC intégrés.

• Autres interfaces : Il sera difficile de trouver un MCU avec Ethernet qui n'a pas l'ensemble standard d'interfaces à basse vitesse (beaucoup de GPIOs + SPI/I2C/UART). Certains des composants haut de gamme peuvent supporter l'USB, le CAN ou d'autres interfaces.

Avec tout cela en tête, il existe certaines applications où il est préférable de renoncer à la connectivité sans fil et de choisir l'Ethernet. Certains des avantages incluent la simplicité, une longue portée sans points d'accès sans fil, et plus important encore, le coût et la taille. Vous pouvez également tirer parti du contrôle de temps de précision IEEE 1588 sur le routage MII/RMII pour les applications de données en temps réel, ce qui élimine joliment la latence du Bluetooth ou du Wifi. Enfin, cela réduit le nombre total de composants en éliminant un chip MAC externe pour l'interface avec la couche PHY.

Il y a d'autres points à considérer si vous concevez un dispositif embarqué qui inclura l'Ethernet. Outre le besoin d'autres interfaces à haute vitesse comme l'USB, il faut également considérer comment votre dispositif s'intégrera dans une topologie de réseau plus large car cela influencera votre choix de MCU. Certains MCU Ethernet ne peuvent pas être utilisés pour servir une interface web aux utilisateurs sur Internet, tandis que d'autres peuvent être utilisés pour construire un serveur embarqué, une passerelle ou un point d'accès sur un réseau plus large.

Infrastructure réseau et adressage IP

Le marché des adresses IP a commencé à se raréfier il y a environ 20 ans, avec la diminution des adresses IPv4 traditionnelles. Bien que l'épuisement des adresses IPv4 ait été anticipé à la fin des années 1990, la dernière adresse IPv4 n'a été attribuée qu'en 2012, et un nouveau standard IPv6 a été adopté en 2017. En plus de la croissance à l'ère d'Internet, un moteur majeur du passage au nouveau format IPv6 est la croissance des dispositifs embarqués à faible coût qui doivent se connecter à Internet (soit directement en tant que serveur, soit indirectement via un routeur).

Topologie réseau avec des dispositifs IPv4 et IPv6 avec une adresse IPv6.

Un certain nombre de modules et de composants MCU peuvent prendre en charge ce type d'architecture intégrée au Web via Ethernet ou sans fil en se connectant à un modem. Désormais, avec de plus en plus d'appareils intégrant une communication cellulaire embarquée via un modem, les dispositifs clients finaux peuvent ne pas avoir besoin d'Ethernet à moins qu'ils ne se connectent à un site local et qu'ils aient besoin d'une connexion très fiable (bureau, atelier, etc.).

Les MCU qui incluent un PHY/MAC Ethernet avec prise en charge d'IPv6 trouveront leur applicabilité dans toutes les mêmes applications qu'IPv4. Il existe un mythe selon lequel IPv6 n'est pas rétrocompatible avec IPv4, mais cette compatibilité est gérée avec la Traduction d'Adresse Réseau (NAT). Il existe un format défini pour une adresse IPv6 contenant une adresse IPv4 intégrée et l'adresse MAC de l'appareil, ce qui permet spécifiquement une rétrocompatibilité via NAT. Cela signifie que vous pouvez configurer votre dispositif embarqué compatible Ethernet comme un serveur/routeur/point d'accès amont tant qu'il peut supporter cette traduction.

Exemple de MCU avec Ethernet

Si vous êtes nouveau dans la conception embarquée pour les systèmes industriels, l'automatisation domestique ou d'autres domaines commerciaux, vous avez peut-être négligé les options disponibles pour les MCU qui prennent en charge Ethernet. Un bon nombre des principaux fabricants de CI proposent des MCU capables d'Ethernet dans leurs gammes de produits populaires. Voici quelques-uns des produits MCU que vous trouverez sur le marché qui prennent en charge Ethernet.

STMicroelectronics, STM32F40x

La ligne STM32F40x fait partie de la très populaire famille de MCU STM32 de STMicroelectronics. Ces composants prennent en charge des tâches de calcul plus intenses (32 bits, 168 MHz) et peuvent interfacer avec un large éventail de capteurs grâce à leurs 3 ADC haute vitesse (2,4 MSPS, ou 7,6 MSPS avec entrelacement). Certains produits incluent également des DAC pour des tâches comme la génération de formes d'onde arbitraires. Ces composants sont disponibles jusqu'à 176 broches pour des options de format et de nombre d'E/S flexibles tout en prenant en charge les interfaces basse vitesse communes, ainsi que l'USB.

MCU Ethernet STM32F4x avec schéma de bloc de la couche PHY. Source : Fiche technique STM32F4x.

Microchip, PIC18F97J60

Le PIC18F97J60 de Microchip est une option à faible coût qui fournit un Ethernet 10/100 intégré ainsi que le support pour RS-485, RS-232, et LIN/J2602, et d'autres interfaces pour les applications industrielles. L'avantage de ce MCU est qu'il offre toutes les interfaces standard que vous attendez d'un MCU sans surcharger en broches GPIO à un coût de moins de 10 $ par unité. Vous pouvez vous connecter directement à un RJ-45 avec des magnétiques intégrés, offrant un moyen simple de développer un nouveau produit IoT avec Ethernet. L'inconvénient est la faible fréquence d'horloge (dérivée d'une référence de 25 MHz) et le traitement 8 bits, il est donc préférable pour le calcul embarqué léger.

Ce MCU est un bon choix pour les applications industrielles grâce aux interfaces RS-485/RS-232. Il peut également être câblé pour prendre en charge des applications telles que le contrôle de moteur en demi-pont ou en pont complet avec ses sorties de pilote PWM. Cette configuration utilise la sortie PWM du MCU avec des pilotes de FET externes, qui ensuite pilotent la charge en imposant une différence de phase sur les signaux PWM de sortie. En ajoutant une boucle de rétroaction avec une résistance de détection de précision, la même configuration peut être utilisée pour implémenter un algorithme de contrôle dans des convertisseurs de puissance ou d'autres systèmes nécessitant une commande régulée d'une charge à courant élevé.

Configuration de pilote demi-pont et pont complet du MCU Ethernet PIC18F97J60. Source : fiche technique du PIC18F97J60.

Texas Instruments, MSP432E4x

Faisant partie de la populaire famille MSP432, les MSP432E4x de Texas Instruments sont des MCU 32 bits avec support Ethernet intégré. Ce composant est disponible en deux variantes. Le MSP432E401Y prend en charge le CAN et inclut 1 Mo de Flash intégré avec 256 Ko de RAM. Le MSP432E411Y a les mêmes spécifications mais inclut également le support pour les écrans TFT LCD. D'autres fonctionnalités intégrées comprennent 2 ADC 12 bits (2 MSPS), le support du chiffrement, 3 comparateurs analogiques et 16 comparateurs numériques. Enfin, ce MCU peut fonctionner avec une adresse IPv4 ou IPv6 (TCP, UDP et ICMP).

Boîtier NFBGA et motif de pastilles du MSP432E4x. Source : Texas Instruments.

Autres composants nécessaires pour les dispositifs embarqués

Les systèmes embarqués ne se limitent pas au MCU et aux capacités de réseau. Les concepteurs peuvent avoir besoin d'autres composants pour compenser ce qui manque dans un MCU avec Ethernet. Lorsque vous avez besoin d'ajouter plus de fonctions matérielles pour des caractéristiques critiques dans votre système, jetez un œil à certains autres composants dont vous pourriez avoir besoin pour un nouveau produit IoT :

• ADC et amplificateurs

• Divers connecteurs, y compris les prises RJ-45

• Capteurs

• Mémoire Flash externe

TRANSLATE:

Peu importe où votre nouveau produit sera déployé, vous pouvez trouver un MCU Ethernet avec support PHY et MAC en utilisant les fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données de prix des distributeurs à jour, aux inventaires de pièces et aux spécifications des pièces, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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