Lavorare con MCU Ethernet con supporto PHY per IoT IPv4/IPv6

Creato: giugno 15, 2021
Aggiornato: giugno 25, 2023

I piccoli MCU sono i cavalli di battaglia della maggior parte dei prodotti IoT a livello consumer e di alcune applicazioni industriali. Se hai bisogno di un chip piccolo, a basso costo, con una potenza di calcolo moderata e una gamma di velocità, vedrai molte opzioni di MCU sul mercato. Gli MCU offrono anche molte interfacce a bassa velocità con altri periferici, rendendo gli MCU piattaforme flessibili per la maggior parte dei prodotti IoT.

Quando pensiamo ai prodotti IoT o ad altri dispositivi embedded, spesso li immaginiamo collegati tramite Wifi o Bluetooth. Questo può essere vero a livello consumer, come per i dispositivi indossabili e i prodotti per la smart home. Tuttavia, l'Ethernet non sta scomparendo tanto presto, e molte applicazioni commerciali e industriali faranno ampio uso dell'Ethernet per la comunicazione. C'è anche da considerare l'alimentazione tramite Ethernet (PoE), che offre ai progettisti un'opzione utile per alimentare i loro dispositivi embedded.

Se vuoi utilizzare l'Ethernet per la comunicazione tra il tuo dispositivo embedded e una rete più ampia, dovrai integrare i livelli MAC/PHY nel tuo dispositivo in modo da poterti interfacciare correttamente con una presa RJ-45 standard. Se vuoi minimizzare le dimensioni del tuo sistema, puoi utilizzare un MCU Ethernet con supporto PHY e MAC integrato nel controller. Ecco alcuni dei vantaggi di questa scelta e alcuni componenti che puoi aspettarti di trovare sul mercato per il tuo sistema.

Selezionare MCU Ethernet con PHY/MAC

La prima cosa che i nuovi progettisti Ethernet devono notare è questa: gli MCU non includono il livello PHY Ethernet integrato nel chip. Detto questo, alcuni MCU includono l'interfaccia MAC necessaria per collegarsi direttamente al livello PHY (cioè, circuiti magnetici, terminazione Bob Smith e poi il connettore). Potresti anche collegarti direttamente a un RJ-45 con magnetici integrati (magjack).

Se hai optato per utilizzare un MCU con supporto Ethernet PHY/MAC integrato, quale livello di prestazioni puoi aspettarti da questi componenti? Data la vasta gamma di funzionalità in qualsiasi MCU, il livello di prestazioni e il set di funzionalità previsti dipendono dall'ingombro che puoi accettare e dal costo che sei disposto a pagare. Potresti dover sacrificare alcune altre funzionalità se vuoi utilizzare un MCU con Ethernet. Alcuni dei componenti che mostreremo di seguito includono ancora tutte le interfacce standard che ti aspetteresti nella maggior parte degli MCU, tra cui:

UART, I2C, SPI o altre interfacce bus
USB 2.0 o 3.0 con interfaccia host integrata
Molti GPIO per interfacciarsi con altri IC
Uscite PWM con ciclo di lavoro regolabile

Specifiche Importanti

Sebbene non possiamo generalizzare le specifiche per ogni MCU con Ethernet, possiamo vedere alcune tendenze generali in questi dispositivi dai principali produttori di componenti:

Costo: Il prezzo di un MCU con Ethernet può variare notevolmente a seconda del numero di funzionalità e I/O di cui hai bisogno. In generale, per ogni MCU abilitato Wifi/Bluetooth, esiste un altro MCU con Ethernet che ha un costo e un conteggio I/O simili.
Dimensioni: Questi MCU sono disponibili in footprint standard per montaggio superficiale (QFN, TQFP, ecc.) che sono abbastanza vicini ad altri footprint di MCU con specifiche comparabili. Alcuni componenti sono disponibili in un VFBGA per risparmiare spazio su schede piccole.
Velocità di clock e standard Base-T: Questi due punti sono generalmente correlati poiché la velocità di trasmissione dati in Ethernet è limitata dalla velocità di clock del controller. Un MCU con Ethernet integra essenzialmente un trasmettitore nel componente. I componenti tipici sono abbastanza veloci da supportare Ethernet 10/100 su rame con un PHY e MAC integrati.
Altre interfacce: Sarà difficile trovare un MCU con Ethernet che non disponga del set standard di interfacce a bassa velocità (abbondanza di GPIO + SPI/I2C/UART). Alcuni dei componenti di fascia alta possono supportare USB, CAN o altre interfacce.

Tenendo presente tutto ciò, ci sono alcune applicazioni in cui è meglio rinunciare alla connettività wireless e optare per l'Ethernet. Alcuni dei vantaggi includono la semplicità, la lunga portata senza punti di accesso wireless e, cosa più importante, il costo e le dimensioni. È possibile anche sfruttare il controllo del tempo di precisione IEEE 1588 su routing MII/RMII per applicazioni di dati in tempo reale, eliminando così la latenza di Bluetooth o Wifi. Infine, ciò riduce il conteggio complessivo dei componenti eliminando un chip MAC esterno per l'interfacciamento con il livello PHY.

Ci sono altri punti da considerare se stai progettando un dispositivo embedded che includerà Ethernet. Oltre alla necessità di altre interfacce ad alta velocità come USB, c'è anche la necessità di considerare come il tuo dispositivo si integrerà in una topologia di rete più ampia poiché ciò influenzerà la scelta del tuo MCU. Alcuni MCU Ethernet non possono essere utilizzati per servire un'interfaccia web agli utenti su internet, mentre altri possono essere utilizzati per costruire un server embedded, un gateway o un punto di accesso su una rete più ampia.

Infrastruttura di rete e indirizzamento IP

Il mercato degli indirizzi IP ha iniziato a ridursi circa 20 anni fa, con la scorta di indirizzi IPv4 tradizionali che ha iniziato a scarseggiare. Sebbene l'esaurimento degli indirizzi IPv4 fosse previsto alla fine degli anni '90, l'ultimo indirizzo IPv4 non è stato assegnato fino al 2012, e un nuovo standard IPv6 è stato adottato nel 2017. Oltre alla crescita nell'era di internet, un importante motore del passaggio al nuovo formato IPv6 è la crescita di dispositivi embedded a basso costo che devono connettersi a internet (direttamente come server o indirettamente tramite un router).

Topologia di rete con dispositivi IPv4 e IPv6 con un indirizzo IPv6.

Un numero di moduli e componenti MCU possono supportare questo tipo di architettura integrata nel web tramite Ethernet o wireless connettendosi a un modem. Ora, con più dispositivi che integrano la comunicazione cellulare a bordo tramite un modem, i dispositivi client finali potrebbero non aver bisogno di Ethernet a meno che non si stiano connettendo a un sito locale e abbiano bisogno di una connessione molto affidabile (ufficio, pavimento di fabbrica, ecc.).

Le MCU che includono un PHY/MAC Ethernet con supporto IPv6 troveranno applicabilità in tutte le stesse applicazioni di IPv4. Esiste il mito che IPv6 non sia retrocompatibile con IPv4, ma questa compatibilità è gestita con la Traduzione degli Indirizzi di Rete (NAT). Esiste un formato definito per un indirizzo IPv6 contenente un indirizzo IPv4 incorporato e l'indirizzo MAC del dispositivo, che specificamente abilita la retrocompatibilità tramite NAT. Questo significa che puoi configurare il tuo dispositivo embedded compatibile con Ethernet come un server/router/punto di accesso upstream finché può supportare questa traduzione.

Esempi di MCU con Ethernet

Se sei nuovo alla progettazione embedded per sistemi industriali, automazione domestica o altre aree commerciali, potresti aver trascurato le opzioni disponibili per le MCU che supportano Ethernet. Diversi dei principali produttori di IC offrono MCU capaci di Ethernet nelle loro linee di prodotti popolari. Ecco alcuni dei prodotti MCU che troverai sul mercato che supportano Ethernet.

STMicroelectronics, STM32F40x

La linea STM32F40x fa parte della molto popolare famiglia STM32 di MCU di STMicroelectronics. Questi componenti supportano compiti di calcolo più intensi (32-bit, 168 MHz) e possono interfacciarsi con un'ampia gamma di sensori grazie ai loro 3 ADC ad alta velocità (2,4 MSPS, o 7,6 MSPS con interleaving). Alcuni prodotti includono anche DAC per compiti come la generazione di forme d'onda arbitrarie. Questi componenti sono disponibili fino a 176 pin per opzioni flessibili di footprint e conteggio IO pur supportando comuni interfacce a bassa velocità, così come USB.

MCU Ethernet STM32F4x con diagramma a blocchi del livello PHY. Fonte: Scheda tecnica STM32F4x.

Microchip, PIC18F97J60

Il PIC18F97J60 di Microchip è un'opzione a basso costo che fornisce Ethernet integrata 10/100 insieme al supporto per RS-485, RS-232 e LIN/J2602, e altre interfacce per applicazioni industriali. Il vantaggio di questa MCU è che offre tutte le interfacce standard che ci si aspetterebbe in una MCU senza sovraccaricare di pin GPIO a un costo inferiore a $10 per unità. È possibile collegarsi direttamente a un RJ-45 con magnetics integrati, offrendo un modo semplice per sviluppare un nuovo prodotto IoT con Ethernet. Lo svantaggio è la lenta velocità di clock (derivata da un riferimento di 25 MHz) e l'elaborazione a 8 bit, quindi è migliore per il calcolo embedded leggero.

Questo MCU è una buona scelta per applicazioni industriali grazie alle interfacce RS-485/RS-232. Può anche essere cablato per supportare applicazioni come il controllo di motori a mezzo ponte o a ponte completo con i suoi output di driver PWM. Questa configurazione collega l'output PWM dall'MCU con driver FET esterni, che poi pilotano il carico imponendo una differenza di fase sui segnali PWM in uscita. Aggiungendo un anello di feedback con una resistenza di precisione, la stessa configurazione può essere utilizzata per implementare un algoritmo di controllo in convertitori di potenza o altri sistemi che richiedono la guida regolata di un carico ad alta corrente.

Configurazione di driver a mezzo ponte e a ponte completo dell'Ethernet MCU PIC18F97J60. Fonte: Scheda tecnica PIC18F97J60.

Texas Instruments, MSP432E4x

Parte della popolare famiglia MSP432, gli MSP432E4x di Texas Instruments sono MCU a 32 bit con supporto Ethernet integrato. Questo componente è disponibile in due varianti. L'MSP432E401Y supporta CAN e include 1 MB di Flash integrata con 256 KB di RAM. L'MSP432E411Y ha le stesse specifiche ma include anche il supporto per schermi TFT LCD. Altre caratteristiche integrate includono 2 ADC a 12 bit (2 MSPS), supporto alla crittografia, 3 comparatori analogici e 16 comparatori digitali. Infine, questo MCU può operare con un indirizzo IPv4 o IPv6 (TCP, UDP e ICMP).

Package NFBGA e schema di montaggio MSP432E4x. Fonte: Texas Instruments.

Altri Componenti Necessari per Dispositivi Embedded

I sistemi embedded non si limitano all'MCU e alle capacità di rete. I progettisti possono aver bisogno di altri componenti per compensare ciò che manca in un MCU con Ethernet. Quando hai bisogno di aggiungere più funzioni hardware per caratteristiche critiche nel tuo sistema, dai un'occhiata ad alcuni altri componenti che potresti aver bisogno per un nuovo prodotto IoT:

Non importa dove verrà impiegato il tuo nuovo prodotto, puoi trovare un MCU Ethernet con supporto PHY e MAC utilizzando le funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio su Octopart. Quando utilizzi il motore di ricerca elettronico di Octopart, avrai accesso ai dati aggiornati sui prezzi dei distributori, all'inventario delle parti e alle specifiche dei componenti, ed è tutto liberamente accessibile in un'interfaccia facile da usare. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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