Praca z mikrokontrolerami Ethernet z obsługą PHY dla IoT IPv4/IPv6

Utworzono: czerwiec 15, 2021
Zaktualizowano: czerwiec 25, 2023

Małe MCU są siłą napędową większości produktów IoT na poziomie konsumenckim oraz w niektórych zastosowaniach przemysłowych. Jeśli potrzebujesz małego, niedrogiego układu z umiarkowaną mocą obliczeniową i różnorodnością prędkości, na rynku znajdziesz wiele opcji MCU. MCU oferują również wiele interfejsów niskiej prędkości do innych peryferiów, co czyni je elastycznymi platformami dla większości produktów IoT.

Kiedy myślimy o produktach IoT lub innych urządzeniach wbudowanych, często wyobrażamy sobie ich łączność przez Wifi lub Bluetooth. Może to być prawda na poziomie konsumenckim, na przykład w przypadku urządzeń noszonych i inteligentnych produktów domowych. Jednak Ethernet nie zniknie w najbliższym czasie, a wiele zastosowań komercyjnych i przemysłowych będzie intensywnie korzystać z Ethernetu do komunikacji. Warto również rozważyć zasilanie przez Ethernet (PoE), które daje projektantom użyteczną opcję zasilania ich urządzeń wbudowanych.

Jeśli chcesz użyć Ethernetu do komunikacji między swoim urządzeniem wbudowanym a większą siecią, będziesz musiał zintegrować warstwy MAC/PHY w swoim urządzeniu, aby móc prawidłowo współpracować ze standardowym gniazdem RJ-45. Jeśli chcesz zminimalizować rozmiar swojego systemu, możesz użyć MCU Ethernet z zintegrowanym wsparciem PHY i MAC w kontrolerze. Oto niektóre z korzyści tej ścieżki oraz niektóre komponenty, które możesz znaleźć na rynku dla swojego systemu.

Wybór MCU Ethernet z PHY/MAC

Pierwszą rzeczą, którą nowi projektanci Ethernetu powinni zauważyć, jest to: MCU nie zawierają zintegrowanej warstwy Ethernet PHY w chipie. Mimo to, niektóre MCU zawierają niezbędny interfejs MAC, który pozwala na bezpośrednie połączenie z warstwą PHY (tj. obwody magnetyczne, zakończenie Boba Smitha, a następnie złącze). Możesz również prowadzić bezpośrednio do RJ-45 z zintegrowanymi magnetykami (magjack).

Jeśli zdecydowałeś się na użycie MCU z zintegrowanym wsparciem Ethernet PHY/MAC, jakiego poziomu wydajności możesz oczekiwać od tych komponentów? Biorąc pod uwagę szeroki zakres funkcji w każdym MCU, oczekiwany poziom wydajności i zestaw funkcji zależy od akceptowalnego przez Ciebie rozmiaru i ceny, którą jesteś gotów zapłacić. Możesz potrzebować poświęcić niektóre inne funkcje, jeśli chcesz użyć MCU z Ethernetem. Niektóre z poniższych komponentów nadal zawierają wszystkie standardowe interfejsy, których można oczekiwać w większości MCU, w tym:

UART, I2C, SPI lub inne interfejsy magistrali
USB 2.0 lub 3.0 z zintegrowanym interfejsem hosta
Wiele GPIO do współpracy z innymi układami scalonymi
Wyjścia PWM z regulowanym cyklem pracy

Ważne specyfikacje

Chociaż nie możemy uogólniać specyfikacji dla każdego MCU z Ethernetem, możemy zauważyć pewne ogólne trendy w tych urządzeniach od wiodących producentów komponentów:

Koszt: Cena MCU z Ethernet może znacznie różnić się w zależności od liczby funkcji i wejść/wyjść, które potrzebujesz. Ogólnie rzecz biorąc, dla każdego MCU z Wifi/Bluetooth istnieje inne MCU z Ethernetem, które ma podobny koszt i liczbę I/O.
Rozmiar: Te MCU są dostępne w standardowych obudowach montażu powierzchniowego (QFN, TQFP itp.), które są wystarczająco blisko innych obudów MCU o porównywalnych specyfikacjach. Niektóre komponenty są dostępne w obudowie VFBGA, aby zaoszczędzić miejsce na małych płytach.
Prędkość zegara i standard Base-T: Te dwa punkty są ogólnie ze sobą związane, ponieważ szybkość transmisji danych w Ethernet jest ograniczona przez prędkość zegara kontrolera. MCU z Ethernetem zasadniczo integruje transceiver w komponencie. Typowe komponenty są wystarczająco szybkie, aby obsługiwać Ethernet 10/100 przez miedź z zintegrowanym PHY i MAC.
Inne interfejsy: Trudno znaleźć MCU z Ethernetem, które nie ma standardowego zestawu interfejsów niskiej prędkości (dużo GPIO + SPI/I2C/UART). Niektóre komponenty wyższego zakresu mogą obsługiwać USB, CAN lub inne interfejsy.

Biorąc to wszystko pod uwagę, istnieją pewne aplikacje, gdzie najlepiej jest zrezygnować z łączności bezprzewodowej i po prostu wybrać Ethernet. Niektóre z zalet to prostota, długi zasięg bez punktów dostępu bezprzewodowego i co najważniejsze, koszt i rozmiar. Możesz również skorzystać z precyzyjnego sterowania czasem IEEE 1588 przez routing MII/RMII dla aplikacji danych w czasie rzeczywistym, co ładnie eliminuje opóźnienia Bluetooth lub Wifi. Wreszcie, redukuje to ogólną liczbę komponentów przez eliminację zewnętrznego chipa MAC do interfejsowania z warstwą PHY.

Istnieją inne punkty do rozważenia, jeśli projektujesz urządzenie wbudowane, które będzie zawierało Ethernet. Oprócz potrzeby innych interfejsów wysokiej prędkości, takich jak USB, należy również rozważyć, jak urządzenie będzie integrować się z większą topologią sieci, ponieważ będzie to miało wpływ na wybór MCU. Niektóre MCU z Ethernetem nie mogą być używane do obsługi interfejsu sieciowego dla użytkowników przez internet, podczas gdy inne mogą być używane do budowy wbudowanego serwera, bramy lub punktu dostępu w większej sieci.

Infrastruktura sieciowa i adresowanie IP

Rynek adresów IP zaczął się kurczyć około 20 lat temu, gdy zasoby tradycyjnych adresów IPv4 zaczęły maleć. Chociaż wyczerpanie adresów IPv4 było przewidywane pod koniec lat 90., ostatni adres IPv4 nie został przydzielony aż do 2012 roku, a nowy standard IPv6 został przyjęty w 2017 roku. Oprócz wzrostu w erze internetu, głównym motorem przejścia na nowy format IPv6 jest wzrost liczby tanich urządzeń wbudowanych, które muszą łączyć się z internetem (bezpośrednio jako serwer lub pośrednio przez router).

Topologia sieci z urządzeniami IPv4 i IPv6 z adresem IPv6.

Wiele modułów MCU i komponentów może wspierać ten typ architektury zintegrowanej z siecią przez Ethernet lub bezprzewodowo, łącząc się z modemem. Teraz, gdy więcej urządzeń integruje komunikację komórkową na pokładzie przez modem, urządzenia końcowe mogą nie potrzebować Ethernetu, chyba że łączą się z lokalną siecią i potrzebują bardzo niezawodnego połączenia (biuro, hala produkcyjna itp.).

MCU zawierające PHY/MAC Ethernet z obsługą IPv6 znajdą zastosowanie we wszystkich tych samych aplikacjach co IPv4. Istnieje mit, że IPv6 nie jest kompatybilne wstecz z IPv4, ale ta kompatybilność jest obsługiwana przez Translacje Adresów Sieciowych (NAT). Zdefiniowano format adresu IPv6 zawierającego osadzony adres IPv4 oraz adres MAC urządzenia, co specjalnie umożliwia kompatybilność wsteczną przez NAT. Oznacza to, że możesz skonfigurować swoje urządzenie wbudowane kompatybilne z Ethernetem jako serwer/router/punkt dostępu, o ile może ono obsługiwać tę translację.

Przykładowe MCU z Ethernetem

Jeśli jesteś nowy w projektowaniu wbudowanym dla systemów przemysłowych, automatyki domowej lub innych obszarów komercyjnych, mogłeś przeoczyć dostępne opcje dla MCU obsługujących Ethernet. Wiele głównych producentów układów scalonych oferuje MCU z możliwością Ethernetu w swoich popularnych liniach produktów. Oto niektóre z produktów MCU dostępnych na rynku, które obsługują Ethernet.

STMicroelectronics, STM32F40x

Linia STM32F40x jest częścią bardzo popularnej rodziny MCU STM32 od STMicroelectronics. Te komponenty obsługują bardziej intensywne zadania obliczeniowe (32-bit, 168 MHz) i mogą współpracować z szeroką gamą czujników dzięki swoim 3 szybkim przetwornikom ADC (2,4 MSPS lub 7,6 MSPS z przeplotem). Niektóre produkty zawierają również DAC-y do zadań takich jak generowanie dowolnych przebiegów. Te komponenty są dostępne do 176 pinów dla elastycznych opcji obudowy i liczby IO, jednocześnie obsługując powszechne interfejsy niskiej prędkości, jak również USB.

MCU STM32F4x z Ethernetem i diagramem blokowym warstwy PHY. Źródło: Arkusz danych STM32F4x.

Microchip, PIC18F97J60

PIC18F97J60 od Microchip to opcja niskobudżetowa, która zapewnia zintegrowany Ethernet 10/100 wraz z obsługą RS-485, RS-232 i LIN/J2602 oraz innych interfejsów dla aplikacji przemysłowych. Zaletą tego MCU jest to, że oferuje wszystkie standardowe interfejsy, których można oczekiwać w MCU, bez przeciążania pinów GPIO, przy cenie poniżej 10 dolarów za sztukę. Możesz bezpośrednio połączyć się z RJ-45 z zintegrowanymi magnesami, dając prosty sposób na zbudowanie nowego produktu IoT z Ethernetem. Minusem jest wolna prędkość zegara (pochodząca z referencyjnych 25 MHz) i 8-bitowe przetwarzanie, więc najlepiej nadaje się do lekkich obliczeń wbudowanych.

Ten MCU jest dobrym wyborem dla zastosowań przemysłowych dzięki interfejsom RS-485/RS-232. Może być również przewodowo połączony do obsługi aplikacji takich jak sterowanie silnikiem półmostkowym lub pełnomostkowym za pomocą wyjść sterownika PWM. Ta konfiguracja łączy wyjście PWM z MCU z zewnętrznymi sterownikami FET, które następnie napędzają obciążenie, wprowadzając różnicę faz na sygnałach wyjściowych PWM. Dodając pętlę sprzężenia zwrotnego z precyzyjnym rezystorem pomiarowym, tę samą konfigurację można wykorzystać do implementacji algorytmu sterowania w przetwornicach mocy lub innych systemach wymagających regulowanego napędu obciążenia przy wysokim prądzie.

Konfiguracja sterownika półmostkowego i pełnomostkowego MCU Ethernet PIC18F97J60. Źródło: Karta katalogowa PIC18F97J60.

Texas Instruments, MSP432E4x

Stanowiący część popularnej rodziny MSP432, MSP432E4x od Texas Instruments to 32-bitowe MCU z zintegrowanym wsparciem dla Ethernetu. Ten komponent występuje w dwóch wariantach. MSP432E401Y obsługuje CAN i zawiera 1 MB zintegrowanej pamięci Flash oraz 256 KB RAM. MSP432E411Y ma te same specyfikacje, ale dodatkowo obsługuje ekrany TFT LCD. Inne zintegrowane funkcje to 2 12-bitowe przetworniki ADC (2 MSPS), wsparcie dla szyfrowania, 3 komparatory analogowe i 16 komparatorów cyfrowych. Wreszcie, ten MCU może pracować z adresem IPv4 lub IPv6 (TCP, UDP i ICMP).

Obudowa NFBGA i układ wyprowadzeń MSP432E4x. Źródło: Texas Instruments.

Inne komponenty potrzebne do urządzeń wbudowanych

Systemy wbudowane nie kończą się na MCU i możliwościach sieciowych. Projektanci mogą potrzebować innych komponentów, aby uzupełnić braki w MCU z Ethernetem. Kiedy potrzebujesz dodać więcej funkcji sprzętowych dla kluczowych cech w swoim systemie, przyjrzyj się innym komponentom, które mogą być potrzebne do nowego produktu IoT:

Niezależnie od tego, gdzie będzie wdrażany Twój nowy produkt, możesz znaleźć MCU Ethernet z obsługą PHY i MAC, korzystając z zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, uzyskasz dostęp do aktualnych danych o cenach dystrybutorów, zapasach części i specyfikacjach części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się na nasz newsletter.