Trabalhando com MCUs Ethernet com Suporte PHY para IoT IPv4/IPv6

Criada: Junho 15, 2021
Atualizada: Junho 25, 2023

Pequenos MCUs são os cavalos de batalha da maioria dos produtos IoT para o nível do consumidor e algumas aplicações industriais. Se você precisa de um chip pequeno, de baixo custo, com poder de computação moderado e uma gama de velocidades, você verá muitas opções de MCUs no mercado. Os MCUs também vêm com muitas interfaces de baixa velocidade para outros periféricos, tornando os MCUs plataformas flexíveis para a maioria dos produtos IoT.

Quando pensamos em produtos IoT ou outros dispositivos embutidos, muitas vezes pensamos neles se conectando via Wifi ou Bluetooth. Isso pode ser verdade no nível do consumidor, como para wearables e produtos de casa inteligente. No entanto, Ethernet não vai desaparecer tão cedo, e muitas aplicações comerciais e industriais farão uso copioso de Ethernet para comunicação. Também há que se considerar a energia sobre Ethernet (PoE), que dá aos designers uma opção útil para alimentar seus dispositivos embutidos.

Se você quer usar Ethernet para comunicação entre seu dispositivo embutido e uma rede maior, você precisará integrar as camadas MAC/PHY ao seu dispositivo para que você possa se interfacear corretamente com um conector RJ-45 padrão. Se você quer minimizar o tamanho do seu sistema, você pode usar um MCU Ethernet com suporte PHY e MAC integrado ao controlador. Aqui estão alguns dos benefícios de seguir este caminho e alguns componentes que você pode esperar encontrar no mercado para o seu sistema.

Selecionando MCUs Ethernet com um PHY/MAC

A primeira coisa que novos designers de Ethernet devem notar é esta: MCUs não incluem a camada Ethernet PHY integrada ao chip. Dito isso, alguns MCUs incluem a interface MAC necessária para se conectar diretamente à camada PHY (ou seja, circuitos magnéticos, terminação Bob Smith e então o conector). Você também poderia se conectar diretamente a um RJ-45 com magnéticos integrados (magjack).

Se você optou por usar um MCU com suporte Ethernet PHY/MAC integrado, que nível de desempenho você pode esperar desses componentes? Dada a ampla gama de recursos em qualquer MCU, o nível de desempenho esperado e o conjunto de recursos dependem da pegada que você pode aceitar e do custo que está disposto a pagar. Você pode precisar sacrificar alguns outros recursos se quiser usar um MCU com Ethernet. Alguns dos componentes que mostraremos abaixo ainda incluem todas as interfaces padrão que você esperaria na maioria dos MCUs, incluindo:

UART, I2C, SPI, ou outras interfaces de barramento
USB 2.0 ou 3.0 com uma interface host integrada
Muitos GPIOs para interface com outros ICs
Saídas PWM com ciclo de trabalho ajustável

Especificações Importantes

Embora não possamos generalizar especificações para cada MCU com Ethernet, podemos ver algumas tendências gerais nesses dispositivos de fabricantes de componentes líderes:

Custo: O preço de um MCU com Ethernet pode variar bastante dependendo do número de funcionalidades e I/Os necessários. Em geral, para cada MCU habilitado para Wifi/Bluetooth, existe outro MCU com Ethernet que tem custo e contagem de I/Os similares.
Footprint: Esses MCUs vêm em footprints padrão de montagem em superfície (QFN, TQFP, etc.) que são suficientemente próximos de outros footprints de MCU com especificações comparáveis. Alguns componentes vêm em VFBGA para economizar espaço em placas pequenas.
Velocidade do clock e padrão Base-T: Esses dois pontos geralmente estão relacionados, pois a taxa de dados no Ethernet é limitada pela velocidade do clock do controlador. Um MCU com Ethernet basicamente integra um transceptor no componente. Os componentes típicos são rápidos o suficiente para suportar Ethernet 10/100 sobre cobre com um PHY e MAC integrados.
Outras interfaces: Será difícil encontrar um MCU com Ethernet que não tenha o conjunto padrão de interfaces de baixa velocidade (muitos GPIOs + SPI/I2C/UART). Alguns dos componentes de alta gama podem suportar USB, CAN ou outras interfaces.

Com tudo isso em mente, existem algumas aplicações onde é melhor descartar a conectividade sem fio e optar por Ethernet. Algumas das vantagens incluem simplicidade, longo alcance sem pontos de acesso sem fio e, mais importante, custo e tamanho. Você também pode tirar vantagem do controle de tempo de precisão IEEE 1588 sobre roteamento MII/RMII para aplicações de dados em tempo real, o que elimina a latência do Bluetooth ou Wifi. Finalmente, isso reduz a contagem geral de componentes eliminando um chip MAC externo para interação com a camada PHY.

Há outros pontos a considerar se você está projetando um dispositivo embutido que incluirá Ethernet. Além da necessidade de outras interfaces de alta velocidade como USB, também é necessário considerar como seu dispositivo se integrará a uma topologia de rede maior, pois isso influenciará sua escolha de MCU. Alguns MCUs Ethernet não podem ser usados para servir uma interface web para usuários pela internet, enquanto outros podem ser usados para construir um servidor embutido, gateway ou ponto de acesso em uma rede maior.

Infraestrutura de Rede e Endereçamento IP

O mercado de endereços IP começou a ficar escasso há cerca de 20 anos, com o estoque de endereços IPv4 tradicionais começando a diminuir. Embora a exaustão dos endereços IPv4 tenha sido antecipada no final dos anos 1990, o último endereço IPv4 não foi alocado até 2012, e um novo padrão IPv6 foi adotado em 2017. Além do crescimento na era da internet, um grande impulsionador da mudança para o novo formato IPv6 é o crescimento em dispositivos embutidos de baixo custo que precisam se conectar à internet (diretamente como um servidor ou indiretamente via um roteador).

Topologia de rede com dispositivos IPv4 e IPv6 com um endereço IPv6.

Um número de módulos e componentes MCU podem suportar este tipo de arquitetura integrada à web por Ethernet ou sem fio, conectando-se a um modem. Agora, com mais dispositivos integrando comunicação celular a bordo por meio de um modem, os dispositivos finais podem não precisar de Ethernet, a menos que estejam se conectando a um local físico e precisem de uma conexão muito confiável (escritório, chão de fábrica, etc.).

MCUs que incluem um PHY/MAC Ethernet com suporte a IPv6 encontrarão aplicabilidade em qualquer uma das mesmas aplicações que o IPv4. Existe um mito de que o IPv6 não é compatível com o IPv4, mas essa compatibilidade é gerenciada com a Tradução de Endereço de Rede (NAT). Existe um formato definido para um endereço IPv6 contendo um endereço IPv4 embutido e o endereço MAC do dispositivo, o que especificamente possibilita a compatibilidade retroativa por meio do NAT. Isso significa que você pode configurar seu dispositivo embutido compatível com Ethernet como um servidor/router/ponto de acesso upstream, desde que ele possa suportar essa tradução.

Exemplo de MCUs com Ethernet

Se você é novo no design embutido para sistemas industriais, automação residencial ou outras áreas comerciais, talvez tenha deixado passar as opções disponíveis para MCUs que suportam Ethernet. Vários dos principais fabricantes de IC oferecem MCUs capazes de Ethernet em suas linhas de produtos populares. Aqui estão alguns dos produtos MCU que você encontrará no mercado que suportam Ethernet.

STMicroelectronics, STM32F40x

A linha STM32F40x faz parte da muito popular família STM32 de MCUs da STMicroelectronics. Esses componentes suportam tarefas de computação mais intensas (32 bits, 168 MHz) e podem se interfacear com uma ampla gama de sensores graças aos seus 3 ADCs de alta velocidade (2,4 MSPS, ou 7,6 MSPS com entrelaçamento). Alguns produtos também incluem DACs para tarefas como geração de forma de onda arbitrária. Esses componentes estão disponíveis com até 176 pinos para opções flexíveis de footprint e contagem de IO, enquanto ainda suportam interfaces comuns de baixa velocidade, bem como USB.

MCU Ethernet STM32F4x com diagrama de bloco da camada PHY. Fonte: Folha de dados do STM32F4x.

Microchip, PIC18F97J60

O PIC18F97J60 da Microchip é uma opção de baixo custo que fornece Ethernet 10/100 integrada junto com suporte para RS-485, RS-232 e LIN/J2602, e outras interfaces para aplicações industriais. A vantagem deste MCU é que ele oferece todas as interfaces padrão que você esperaria em um MCU sem sobrecarregar em pinos GPIO a um custo inferior a $10 por unidade. Você pode rotear diretamente para um RJ-45 com magnéticos integrados, oferecendo uma maneira simples de construir um novo produto IoT com Ethernet. A desvantagem é a taxa de clock lenta (derivada de uma referência de 25 MHz) e processamento de 8 bits, por isso é melhor para computação embutida leve.

Este MCU é uma boa escolha para aplicações industriais graças às interfaces RS-485/RS-232. Ele também pode ser configurado para suportar aplicações como controle de motor em meia-ponte ou ponte completa com suas saídas de driver PWM. Esta configuração utiliza a saída PWM do MCU com drivers de FET externos, que então acionam a carga impondo uma diferença de fase nos sinais de saída PWM. Ao adicionar um loop de feedback com um resistor de detecção de precisão, a mesma configuração pode ser usada para implementar um algoritmo de controle em conversores de potência ou outros sistemas que requerem acionamento regulado de uma carga em alta corrente.

Configuração de driver de meia-ponte e ponte completa do MCU Ethernet PIC18F97J60. Fonte: Folha de dados do PIC18F97J60.

Texas Instruments, MSP432E4x

Parte da popular família MSP432, os MSP432E4x da Texas Instruments são MCUs de 32 bits com suporte integrado a Ethernet. Este componente vem em duas variedades. O MSP432E401Y suporta CAN e inclui 1 MB de Flash integrado com 256 KB de RAM. O MSP432E411Y tem as mesmas especificações, mas também inclui suporte para telas TFT LCD. Outras características integradas incluem 2 ADCs de 12 bits (2 MSPS), suporte a criptografia, 3 comparadores analógicos e 16 comparadores digitais. Finalmente, este MCU pode operar com um endereço IPv4 ou IPv6 (TCP, UDP e ICMP).

Embalagem e padrão de terra do MSP432E4x NFBGA. Fonte: Texas Instruments.

Outros Componentes Necessários para Dispositivos Embarcados

Sistemas embarcados não se limitam ao MCU e capacidades de rede. Os projetistas podem precisar de outros componentes para compensar o que falta em um MCU com Ethernet. Quando você precisa adicionar mais funções de hardware para recursos críticos em seu sistema, veja alguns outros componentes que você pode precisar para um novo produto IoT:

Não importa onde seu novo produto será implantado, você pode encontrar um MCU Ethernet com suporte PHY e MAC usando os recursos avançados de busca e filtragem no Octopart. Ao usar o motor de busca de eletrônicos do Octopart, você terá acesso aos dados de preços de distribuidores atualizados, inventário de peças e especificações de peças, e tudo isso é livremente acessível em uma interface amigável. Confira nossa página de circuitos integrados para encontrar os componentes de que precisa.

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