IPv4/IPv6 IoT를 지원하는 PHY가 있는 이더넷 MCU 작업

작성 날짜: 유월 15, 2021
업데이트 날짜: 유월 25, 2023

소형 MCU는 소비자 수준의 대부분 IoT 제품과 일부 산업용 애플리케이션의 핵심 구성 요소입니다. 작고 저렴한 칩이 필요하고 적당한 계산 능력과 다양한 속도가 필요하다면 시장에서 다양한 MCU 옵션을 볼 수 있습니다. MCU는 또한 대부분의 IoT 제품에 유연한 플랫폼을 제공하는 다양한 저속 인터페이스를 제공합니다.

IoT 제품이나 다른 임베디드 장치를 생각할 때, 우리는 종종 Wifi나 Bluetooth를 통해 연결되는 것을 생각합니다. 이는 웨어러블이나 스마트 홈 제품과 같은 소비자 수준에서는 사실일 수 있습니다. 그러나 이더넷은 당분간 사라지지 않을 것이며, 많은 상업 및 산업 애플리케이션에서 통신을 위해 이더넷을 많이 사용할 것입니다. 또한 임베디드 장치를 구동하는 데 유용한 옵션인 이더넷 전원(PoE)도 고려해야 합니다.

임베디드 장치와 더 큰 네트워크 간의 통신을 위해 이더넷을 사용하려면 표준 RJ-45 잭과 제대로 인터페이스할 수 있도록 장치에 MAC/PHY 계층을 통합해야 합니다. 시스템의 크기를 최소화하려면 PHY 및 MAC 지원이 통합된 이더넷 MCU를 사용할 수 있습니다. 이 방법을 선택하는 것의 이점과 시스템에 대해 시장에서 찾을 수 있는 일부 구성 요소는 다음과 같습니다.

PHY/MAC이 있는 이더넷 MCU 선택

새로운 이더넷 디자이너가 알아야 할 첫 번째 사항은 다음과 같습니다: MCU는 칩에 통합된 이더넷 PHY 계층을 포함하지 않습니다. 그럼에도 불구하고, 일부 MCU는 PHY 계층(즉, 자기 회로, Bob Smith 종료, 그리고 커넥터)에 직접 연결할 필요한 MAC 인터페이스를 포함합니다. 또한 통합 자기(magjack)가 있는 RJ-45로 직접 라우팅할 수도 있습니다.

이더넷 PHY/MAC 지원이 통합된 MCU를 사용하기로 선택한 경우, 이러한 구성 요소에서 어떤 수준의 성능을 기대할 수 있을까요? MCU의 다양한 기능 범위를 고려할 때, 기대할 수 있는 성능 수준과 기능 세트는 수용할 수 있는 발자국과 지불할 의향이 있는 비용에 따라 달라집니다. 이더넷을 사용하는 MCU를 사용하려면 일부 다른 기능을 희생해야 할 수도 있습니다. 아래에서 보여줄 일부 구성 요소는 대부분의 MCU에서 기대할 수 있는 표준 인터페이스를 여전히 포함합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

UART, I2C, SPI 또는 기타 버스 인터페이스
통합 호스트 인터페이스가 있는 USB 2.0 또는 3.0
다른 IC와 인터페이스하기 위한 충분한 GPIO
조절 가능한 듀티 사이클을 가진 PWM 출력

중요 사양

이더넷이 있는 모든 MCU에 대한 사양을 일반화할 수는 없지만, 선도적인 구성 요소 제조업체에서 이러한 장치의 일반적인 추세를 볼 수 있습니다:

비용: 이더넷을 탑재한 MCU의 가격은 필요한 기능과 I/O의 수에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 일반적으로, Wifi/Bluetooth를 지원하는 MCU가 있다면, 비슷한 비용과 I/O 수를 가진 이더넷을 지원하는 다른 MCU도 있습니다.
풋프린트: 이러한 MCU는 표준 표면 실장 풋프린트(QFN, TQFP 등)에 해당하며, 비슷한 사양을 가진 다른 MCU 풋프린트와 충분히 가깝습니다. 일부 구성 요소는 작은 보드에서 공간을 절약하기 위해 VFBGA에 올 수 있습니다.
클록 속도 및 Base-T 표준: 이 두 가지는 일반적으로 관련이 있으며, 이더넷의 데이터 속도는 컨트롤러의 클록 속도에 의해 제한됩니다. 이더넷을 탑재한 MCU는 기본적으로 구성 요소에 트랜시버를 통합합니다. 전형적인 구성 요소는 통합 PHY 및 MAC을 통해 10/100 이더넷을 지원할 만큼 충분히 빠릅니다.
기타 인터페이스: 이더넷을 탑재한 MCU를 찾기 어렵지 않으며, 표준 저속 인터페이스(GPIO 다수 + SPI/I2C/UART)가 있습니다. 고급 구성 요소 중 일부는 USB, CAN 또는 기타 인터페이스를 지원할 수 있습니다.

이 모든 것을 염두에 두면, 무선 연결을 포기하고 이더넷을 선택하는 것이 가장 좋은 몇 가지 응용 프로그램이 있습니다. 장점으로는 단순성, 무선 액세스 포인트 없이도 긴 범위, 그리고 가장 중요한 비용 및 크기가 있습니다. 또한, MII/RMII 라우팅을 통한 IEEE 1588 정밀 시간 제어를 활용하여 실시간 데이터 응용 프로그램에 대해 Bluetooth나 Wifi의 지연 시간을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 마지막으로, 이는 PHY 계층과의 인터페이싱을 위한 외부 MAC 칩을 제거함으로써 전체 구성 요소 수를 줄입니다.

이더넷을 포함할 임베디드 장치를 설계하는 경우 고려해야 할 다른 요소들이 있습니다. USB와 같은 다른 고속 인터페이스의 필요성 외에도, 장치가 더 큰 네트워크 토폴로지에 어떻게 통합될지 고려해야 하며, 이는 MCU 선택에 영향을 미칠 것입니다. 일부 이더넷 MCU는 인터넷을 통해 사용자에게 웹 인터페이스를 제공하는 데 사용할 수 없는 반면, 다른 것들은 더 큰 네트워크에서 임베디드 서버, 게이트웨이 또는 액세스 포인트를 구축하는 데 사용될 수 있습니다.

네트워크 인프라 및 IP 주소 지정

IP 주소 시장은 약 20년 전부터 얇아지기 시작했으며, 전통적인 IPv4 주소가 점점 부족해지기 시작했습니다. IPv4 주소의 고갈은 1990년대 후반에 예상되었지만, 마지막 IPv4 주소는 2012년에 할당되었고, 새로운 IPv6 표준은 2017년에 채택되었습니다. 인터넷 시대의 성장 외에도, 인터넷에 연결해야 하는 저비용 임베디드 장치의 증가는 새로운 IPv6 형식으로의 이동을 주요하게 추진했습니다(서버로 직접 또는 라우터를 통해 간접적으로).

IPv4 및 IPv6 장치가 있는 네트워크 토폴로지와 IPv6 주소.

많은 MCU 모듈과 컴포넌트가 모뎀에 연결하여 이더넷이나 무선을 통해 이러한 유형의 웹 통합 아키텍처를 지원할 수 있습니다. 이제 더 많은 장치가 모뎀을 통한 온보드 셀룰러 통신을 통합함에 따라, 최종 클라이언트 장치는 온프레미스에 연결하고 매우 안정적인 연결이 필요한 경우(사무실, 공장 바닥 등)를 제외하고는 이더넷이 필요하지 않을 수 있습니다.

IPv6 지원이 포함된 이더넷 PHY/MAC을 포함하는 MCU는 IPv4와 동일한 애플리케이션에서 적용 가능성을 찾을 것입니다. IPv6가 IPv4와 호환되지 않는다는 신화가 있지만, 이 호환성은 네트워크 주소 변환(NAT)으로 처리됩니다. IPv6 주소에 내장된 IPv4 주소와 장치의 MAC 주소를 포함하는 정의된 형식이 있으며, 이는 NAT를 통한 역호환을 특별히 가능하게 합니다. 이는 이더넷 호환 임베디드 장치를 상류 서버/라우터/액세스 포인트로 구성할 수 있다는 것을 의미합니다. 이 변환을 지원할 수 있는 한 말이죠.

이더넷을 지원하는 예제 MCU

산업 시스템, 홈 오토메이션 또는 기타 상업 분야의 임베디드 디자인에 새로운 경우, 이더넷을 지원하는 MCU에 대한 사용 가능한 옵션을 간과했을 수 있습니다. 주요 IC 제조업체 중 상당수가 인기 있는 제품 라인에서 이더넷이 가능한 MCU를 제공합니다. 이더넷을 지원하는 시장에서 찾을 수 있는 몇 가지 MCU 제품입니다.

STMicroelectronics, STM32F40x

STMicroelectronics의 매우 인기 있는 STM32 MCU 가족의 일부인 STM32F40x 라인은 더 강력한 컴퓨팅 작업(32비트, 168 MHz)을 지원하며, 3개의 고속 ADC(2.4 MSPS 또는 인터리빙으로 7.6 MSPS) 덕분에 다양한 센서와 인터페이스할 수 있습니다. 일부 제품에는 임의 파형 생성과 같은 작업을 위한 DAC도 포함되어 있습니다. 이러한 컴포넌트는 유연한 풋프린트와 IO 수 옵션을 제공하면서도 일반적인 저속 인터페이스와 USB를 지원하도록 최대 176핀까지 제공됩니다.

PHY 계층 블록 다이어그램이 있는 STM32F4x 이더넷 MCU. 출처: STM32F4x 데이터시트.

Microchip, PIC18F97J60

Microchip의 PIC18F97J60은 통합 10/100 이더넷을 제공하는 저비용 옵션으로, RS-485, RS-232, LIN/J2602 및 기타 산업용 애플리케이션을 위한 인터페이스를 지원합니다. 이 MCU의 장점은 MCU에서 기대할 수 있는 모든 표준 인터페이스를 GPIO 핀을 과도하게 사용하지 않고도 제공한다는 것입니다. 단위당 $10 미만의 비용으로 직접 RJ-45에 연결할 수 있어 이더넷을 사용한 새로운 IoT 제품을 간단하게 구축할 수 있는 방법을 제공합니다. 단점은 느린 클록 속도(25 MHz 참조에서 파생됨)와 8비트 처리이므로 가벼운 임베디드 컴퓨팅에 가장 적합합니다.

이 MCU는 RS-485/RS-232 인터페이스 덕분에 산업용 애플리케이션에 적합한 선택입니다. 또한 PWM 드라이버 출력을 이용해 하프 브리지 또는 풀 브리지 모터 제어와 같은 애플리케이션을 지원하도록 배선할 수 있습니다. 이 구성은 MCU에서 나온 PWM 출력을 외부 FET 드라이버와 결합하여, 출력 PWM 신호에 위상 차이를 적용함으로써 부하를 구동합니다. 정밀한 센스 저항기와 피드백 루프를 추가함으로써, 높은 전류에서 부하를 규제된 방식으로 구동해야 하는 전력 변환기나 다른 시스템에서 제어 알고리즘을 구현하는 데 동일한 구성을 사용할 수 있습니다.

PIC18F97J60 이더넷 MCU 하프 브리지 및 풀 브리지 드라이버 구성. 출처: PIC18F97J60 데이터시트.

텍사스 인스트루먼트, MSP432E4x

인기 있는 MSP432 제품군의 일부인 텍사스 인스트루먼트의 MSP432E4x는 통합 이더넷 지원을 갖춘 32비트 MCU입니다. 이 구성요소는 두 가지 종류로 제공됩니다. MSP432E401Y는 CAN을 지원하며 1MB 통합 플래시와 256KB RAM을 포함합니다. MSP432E411Y는 동일한 사양을 가지고 있지만 TFT LCD 화면 지원도 포함합니다. 다른 통합 기능으로는 2개의 12비트 ADC(2 MSPS), 암호화 지원, 3개의 아날로그 비교기, 그리고 16개의 디지털 비교기가 있습니다. 마지막으로, 이 MCU는 IPv4 또는 IPv6 주소(TCP, UDP, ICMP)로 작동할 수 있습니다.

MSP432E4x NFBGA 패키지 및 랜드 패턴. 출처: 텍사스 인스트루먼트.

임베디드 장치에 필요한 기타 구성요소

임베디드 시스템은 MCU와 네트워킹 기능에서 그치지 않습니다. 시스템의 중요 기능을 위해 더 많은 하드웨어 기능을 추가해야 할 때, 새로운 IoT 제품에 필요할 수 있는 몇 가지 다른 구성요소를 살펴보세요:

새 제품이 어디에 배치될지에 상관없이, 고급 검색 및 필터링 기능을 사용하여 PHY 및 MAC 지원이 있는 Ethernet MCU를 Octopart에서 찾을 수 있습니다. Octopart의 전자 부품 검색 엔진을 사용하면, 최신 유통업체 가격 데이터, 부품 재고, 부품 사양에 접근할 수 있으며, 모두 사용자 친화적인 인터페이스에서 자유롭게 이용 가능합니다. 저희의 집적 회로 페이지를 살펴보세요 필요한 구성 요소를 찾아보십시오.

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