IPv4/IPv6 IoTに対応したPHYサポートを持つEthernet MCUの使用方法

投稿日六月 15, 2021
更新日六月 25, 2023

小型MCUは、消費者向けIoT製品や一部の産業用アプリケーションの大黒柱です。小型で低コスト、適度な計算能力と速度の範囲が必要な場合、市場にはMCUのオプションが豊富にあります。MCUには、他の周辺機器への低速インターフェースも多数搭載されており、ほとんどのIoT製品にとって柔軟なプラットフォームを提供します。

IoT製品や他の組み込みデバイスを考えるとき、私たちはしばしばWifiやBluetooth経由で接続するものと考えがちです。これは、ウェアラブルやスマートホーム製品などの消費者向けレベルでは当てはまるかもしれません。しかし、Ethernetはすぐにはなくならず、多くの商用および産業用アプリケーションが通信にEthernetを大量に使用するでしょう。また、組み込みデバイスを電源供給するための有用なオプションとして、Ethernet経由での電力供給（PoE）も考慮する必要があります。

組み込みデバイスと大規模ネットワーク間の通信にEthernetを使用したい場合、標準のRJ-45ジャックと適切にインターフェースするために、デバイスにMAC/PHYレイヤーを統合する必要があります。システムのサイズを最小限に抑えたい場合は、コントローラにPHYおよびMACサポートが統合されたEthernet MCUを使用できます。この方法を選択することの利点と、システムに対して市場で見つけることができるいくつかのコンポーネントについてここで紹介します。

PHY/MACを備えたEthernet MCUの選択

新しいEthernet設計者が注意すべき最初のことは、MCUにはEthernet PHYレイヤーがチップに統合されていないということです。それにもかかわらず、一部のMCUには、PHYレイヤー（つまり、磁気回路、Bob Smith終端、そしてコネクタ）に直接配線するために必要なMACインターフェースが含まれています。また、統合磁気（magjack）を備えたRJ-45に直接ルーティングすることもできます。

統合Ethernet PHY/MACサポートを備えたMCUを使用することを選択した場合、これらのコンポーネントからどのレベルのパフォーマンスを期待できるでしょうか？MCUにおける幅広い機能を考えると、期待されるパフォーマンスレベルと機能セットは、受け入れ可能なフットプリントと支払う意志があるコストに依存します。Ethernetを使用したい場合、他のいくつかの機能を犠牲にする必要があるかもしれません。以下に示すコンポーネントのいくつかは、ほとんどのMCUで期待される標準のインターフェースもまだ含んでいます。これには以下が含まれます：

UART、I2C、SPIなどのバスインターフェース
統合されたホストインターフェースを備えたUSB 2.0または3.0
他のICとのインターフェースに十分なGPIO
調整可能なデューティサイクルを持つPWM出力

重要な仕様

すべてのEthernetを備えたMCUについての仕様を一般化することはできませんが、主要なコンポーネントメーカーからこれらのデバイスにおける一般的な傾向を見ることができます：

コスト：イーサネットを搭載したMCUの価格は、必要な機能やI/Oの数によって大きく異なります。一般的に、Wifi/Bluetooth対応のMCUには、同様のコストとI/O数を持つイーサネット搭載のMCUがあります。
フットプリント：これらのMCUは、標準的な表面実装フットプリント（QFN、TQFPなど）で提供され、仕様が比較的近い他のMCUのフットプリントと十分に近いものです。一部のコンポーネントは、小型のボード上でスペースを節約するためにVFBGAで提供されます。
クロック速度とBase-T標準：これら2点は一般的に関連しており、イーサネットのデータレートはコントローラのクロック速度によって制限されます。イーサネットを搭載したMCUは基本的に、コンポーネントにトランシーバを統合しています。典型的なコンポーネントは、統合PHYおよびMACを使用して銅線上での10/100イーサネットをサポートするのに十分な速度です。
その他のインターフェース：標準的な低速インターフェース（多数のGPIO + SPI/I2C/UART）を持たないイーサネット搭載MCUを見つけるのは難しいでしょう。高性能なコンポーネントの中には、USB、CAN、その他のインターフェースをサポートできるものもあります。

これらを踏まえると、無線接続を避けてイーサネットを選択する方が最適なアプリケーションがいくつかあります。その利点には、シンプルさ、無線アクセスポイントなしでの長距離、そして最も重要な、コストとサイズが含まれます。また、MII/RMIIルーティングを介したIEEE 1588の精密な時間制御を利用することで、リアルタイムデータアプリケーションにおいて、BluetoothやWifiの遅延をうまく排除できます。最終的に、PHYレイヤーとのインターフェース用の外部MACチップを排除することで、全体のコンポーネント数を削減します。

イーサネットを含む組み込みデバイスを設計する場合に考慮すべき他のポイントもあります。USBなどの他の高速インターフェースの必要性と同様に、デバイスがより大きなネットワークトポロジにどのように統合されるかを考慮する必要があります。これは、MCUの選択に影響を与えます。一部のイーサネットMCUは、インターネット上でユーザーにウェブインターフェースを提供するために使用することはできませんが、他のものは、より大きなネットワーク上で組み込みサーバー、ゲートウェイ、またはアクセスポイントを構築するために使用できます。

ネットワークインフラとIPアドレッシング

IPアドレス市場は約20年前から逼迫し始め、従来のIPv4アドレスが不足し始めました。IPv4アドレスの枯渇は1990年代後半に予想されていましたが、最後のIPv4アドレスが割り当てられたのは2012年で、新しいIPv6標準が2017年に採用されました。インターネット時代の成長に加えて、新しいIPv6形式への移行の主な推進力は、インターネットに接続する必要がある低コストの組み込みデバイスの増加です（直接サーバーとして、または間接的にルーターを介して）。

IPv4およびIPv6デバイスを持つネットワークトポロジーとIPv6アドレス。

多くのMCUモジュールやコンポーネントは、モデムに接続することで、Ethernetまたは無線を介したこのタイプのWeb統合アーキテクチャをサポートできます。現在、モデムを介したオンボードセルラー通信を統合するデバイスが増えているため、エンドクライアントデバイスは、オンプレミスに接続し、非常に信頼性の高い接続が必要な場合（オフィス、工場の床など）を除き、Ethernetが必要ない場合があります。

IPv6サポートを備えたEthernet PHY/MACを含むMCUは、IPv4と同じアプリケーションでの適用性を見出すでしょう。IPv6はIPv4と後方互換性がないという神話がありますが、この互換性はネットワークアドレス変換（NAT）で処理されます。IPv4アドレスとデバイスのMACアドレスが埋め込まれたIPv6アドレスの形式が定義されており、これによりNATを通じて後方互換性が具体的に可能になります。つまり、Ethernet互換の組み込みデバイスを、この変換をサポートできる限り、上流サーバー/ルーター/アクセスポイントとして設定できることを意味します。

EthernetをサポートするMCUの例

産業システム、ホームオートメーション、またはその他の商業分野の組み込み設計が初めての場合、EthernetをサポートするMCUの利用可能なオプションを見落としているかもしれません。主要なICメーカーの多くが、人気のある製品ラインでEthernet対応のMCUを提供しています。ここでは、Ethernetをサポートする市場で見つかるMCU製品のいくつかを紹介します。

STMicroelectronics, STM32F40x

STMicroelectronicsの非常に人気のあるSTM32ファミリーの一部であるSTM32F40xラインは、より高度なコンピューティングタスク（32ビット、168 MHz）をサポートし、3つの高速ADC（2.4 MSPS、またはインターリービングで7.6 MSPS）のおかげで幅広いセンサーとのインターフェースが可能です。一部の製品には、任意波形生成などのタスク用のDACも含まれています。これらのコンポーネントは、一般的な低速インターフェースだけでなく、USBもサポートしながら、柔軟なフットプリントとIOカウントオプションを提供する最大176ピンまで利用可能です。

STM32F4x Ethernet MCU with PHY layer block diagram. Source: STM32F4xデータシート.

Microchip, PIC18F97J60

MicrochipのPIC18F97J60は、RS-485、RS-232、LIN/J2602などのインターフェースをサポートする統合10/100 Ethernetを提供する低コストオプションです。このMCUの利点は、GPIOピンを過剰に使用することなく、MCUで期待されるすべての標準インターフェースを提供することで、単位あたり10ドル未満のコストです。統合マグネティクスを備えたRJ-45に直接ルーティングできるため、Ethernetを備えた新しいIoT製品を簡単に構築する方法を提供します。欠点は、遅いクロックレート（25 MHzのリファレンスから派生）と8ビット処理であるため、軽量の組み込みコンピューティングに最適です。

このMCUは、RS-485/RS-232インターフェースのおかげで産業用途に適しています。PWMドライバ出力を備えているため、ハーフブリッジやフルブリッジのモータ制御アプリケーションにも配線でサポートできます。この構成では、MCUからのPWM出力を外部のFETドライバと組み合わせ、出力PWM信号に位相差を生じさせることで負荷を駆動します。精密なセンス抵抗器とフィードバックループを追加することで、高電流での負荷駆動を必要とする電力コンバーターやその他のシステムにおいて、制御アルゴリズムを実装するのに同じ構成を使用できます。

PIC18F97J60 Ethernet MCU ハーフブリッジおよびフルブリッジドライバ構成。出典: PIC18F97J60 データシート。

テキサス・インスツルメンツ、MSP432E4x

人気のMSP432ファミリーの一部であるテキサス・インスツルメンツのMSP432E4xは、統合イーサネットサポートを備えた32ビットMCUです。このコンポーネントには2つのバリエーションがあります。MSP432E401YはCANをサポートし、1MBの統合フラッシュと256KBのRAMを含みます。MSP432E411Yは同じ仕様ですが、TFT LCDスクリーンのサポートも含まれています。その他の統合機能には、2つの12ビットADC（2MSPS）、暗号化サポート、3つのアナログコンパレータ、および16のデジタルコンパレータが含まれます。最終的に、このMCUはIPv4またはIPv6アドレス（TCP、UDP、およびICMP）で動作可能です。

MSP432E4x NFBGAパッケージおよびランドパターン。出典: テキサス・インスツルメンツ。

組み込みデバイスに必要なその他のコンポーネント

組み込みシステムはMCUやネットワーキング機能で終わりません。システムの重要な機能に対してハードウェア機能を追加する必要がある場合、新しいIoT製品に必要な他のコンポーネントをいくつか見てみましょう：

新製品がどこに展開されるかに関わらず、高度な検索とフィルタリング機能を使用して、PHYとMACをサポートするEthernet MCUをOctopartで見つけることができます。Octopartの電子部品検索エンジンを使用すると、最新のディストリビューター価格データ、部品在庫、部品仕様にアクセスでき、すべてがユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用可能です。統合回路のページをご覧ください必要なコンポーネントを見つけるために。

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