Работа с Ethernet MCU с поддержкой PHY для IPv4/IPv6 IoT

Создано: 15 Июня, 2021
Обновлено: 25 Июня, 2023

Маленькие МК (микроконтроллеры) являются основой большинства продуктов IoT для потребительского уровня и некоторых промышленных приложений. Если вам нужен маленький, недорогой чип с умеренной вычислительной мощностью и различными скоростями, на рынке вы найдете множество вариантов МК. МК также оснащены множеством интерфейсов низкой скорости для подключения других периферийных устройств, что делает МК гибкими платформами для большинства продуктов IoT.

Когда мы думаем о продуктах IoT или других встроенных устройствах, мы часто представляем их подключенными через Wifi или Bluetooth. Это может быть верно на потребительском уровне, например, для носимых устройств и умных домашних продуктов. Однако Ethernet никуда не исчезнет в ближайшее время, и множество коммерческих и промышленных приложений будут активно использовать Ethernet для коммуникации. Также стоит учитывать питание по Ethernet (PoE), которое предоставляет дизайнерам полезный вариант для питания их встроенных устройств.

Если вы хотите использовать Ethernet для связи между вашим встроенным устройством и более крупной сетью, вам нужно будет интегрировать слои MAC/PHY в ваше устройство, чтобы вы могли правильно подключиться к стандартному разъему RJ-45. Если вы хотите минимизировать размер вашей системы, вы можете использовать МК с Ethernet с интегрированной поддержкой PHY и MAC в контроллере. Вот некоторые преимущества этого подхода и некоторые компоненты, которые вы можете найти на рынке для вашей системы.

Выбор МК с Ethernet с PHY/MAC

Первое, что должны заметить новые дизайнеры Ethernet: МК не включают в себя интегрированный слой Ethernet PHY. Тем не менее, некоторые МК включают необходимый интерфейс MAC для прямого подключения к слою PHY (т.е., магнитные цепи, завершение Боба Смита и затем коннектор). Вы также можете напрямую подключиться к RJ-45 с интегрированными магнитами (magjack).

Если вы решили использовать МК с интегрированной поддержкой Ethernet PHY/MAC, какого уровня производительности вы можете ожидать от этих компонентов? Учитывая широкий спектр функций любого МК, ожидаемый уровень производительности и набор функций зависит от размера, который вы можете принять, и стоимости, которую вы готовы заплатить. Возможно, вам придется пожертвовать некоторыми другими функциями, если вы хотите использовать МК с Ethernet. Некоторые из компонентов, которые мы покажем ниже, все еще включают все стандартные интерфейсы, которые вы ожидаете увидеть в большинстве МК, включая:

UART, I2C, SPI или другие интерфейсы шины
USB 2.0 или 3.0 с интегрированным хост-интерфейсом
Множество GPIO для подключения к другим ИС
PWM выходы с регулируемым рабочим циклом

Важные характеристики

Хотя мы не можем обобщить характеристики для каждого МК с Ethernet, мы можем видеть некоторые общие тенденции в этих устройствах от ведущих производителей компонентов:

Стоимость: Цена микроконтроллера с Ethernet может значительно варьироваться в зависимости от количества функций и входов/выходов, которые вам нужны. В общем, на каждый микроконтроллер с Wifi/Bluetooth есть другой микроконтроллер с Ethernet, который имеет схожую стоимость и количество входов/выходов.
Размер: Эти микроконтроллеры выпускаются в стандартных корпусах для поверхностного монтажа (QFN, TQFP и т.д.), которые достаточно близки к корпусам других микроконтроллеров с сопоставимыми характеристиками. Некоторые компоненты выпускаются в корпусе VFBGA для экономии места на маленьких платах.
Частота тактового генератора и стандарт Base-T: Эти два пункта обычно связаны, поскольку скорость передачи данных в Ethernet ограничена частотой тактового генератора контроллера. Микроконтроллер с Ethernet, по сути, интегрирует в себя трансивер. Типичные компоненты достаточно быстры для поддержки Ethernet 10/100 через медь с интегрированными PHY и MAC.
Другие интерфейсы: Будет сложно найти микроконтроллер с Ethernet, который не имеет стандартного набора интерфейсов низкой скорости (множество GPIO + SPI/I2C/UART). Некоторые более продвинутые компоненты могут поддерживать USB, CAN или другие интерфейсы.

Учитывая все это, есть некоторые приложения, где лучше отказаться от беспроводной связи и выбрать Ethernet. Некоторые из преимуществ включают в себя простоту, большую дальность без точек доступа Wi-Fi и, что наиболее важно, стоимость и размер. Вы также можете воспользоваться преимуществами точного временного управления IEEE 1588 через маршрутизацию MII/RMII для приложений реального времени, что позволяет устранить задержки Bluetooth или Wi-Fi. Наконец, это сокращает общее количество компонентов за счет исключения внешнего чипа MAC для взаимодействия с PHY слоем.

Есть и другие моменты, которые следует учитывать, если вы разрабатываете встроенное устройство, которое будет включать Ethernet. Помимо необходимости других высокоскоростных интерфейсов, таких как USB, также необходимо учитывать, как ваше устройство будет интегрироваться в более крупную сетевую топологию, поскольку это повлияет на выбор микроконтроллера. Некоторые микроконтроллеры с Ethernet не могут использоваться для предоставления веб-интерфейса пользователям через интернет, в то время как другие могут использоваться для создания встроенного сервера, шлюза или точки доступа в более крупной сети.

Сетевая инфраструктура и адресация IP

Рынок IP-адресов начал истощаться примерно 20 лет назад, когда запасы традиционных адресов IPv4 начали уменьшаться. Хотя истощение адресов IPv4 предвиделось в конце 1990-х, последний адрес IPv4 был выделен только в 2012 году, а новый стандарт IPv6 был принят в 2017 году. Помимо роста в эпоху интернета, основным двигателем перехода на новый формат IPv6 является рост числа недорогих встроенных устройств, которым необходимо подключаться к интернету (либо напрямую как сервер, либо косвенно через маршрутизатор).

Топология сети с устройствами IPv4 и IPv6 с адресом IPv6.

Множество модулей и компонентов MCU могут поддерживать этот тип веб-интегрированной архитектуры через Ethernet или беспроводную связь, подключаясь к модему. Теперь, когда все больше устройств интегрируют встроенную сотовую связь через модем, клиентским устройствам может не потребоваться Ethernet, если они подключаются к локальной сети и им нужно очень надежное соединение (офис, производственный цех и т.д.).

MCU, включающие в себя Ethernet PHY/MAC с поддержкой IPv6, найдут применение в любых тех же приложениях, что и IPv4. Существует миф, что IPv6 несовместим с IPv4, но эта совместимость обеспечивается с помощью трансляции сетевых адресов (NAT). Определен формат адреса IPv6, содержащего встроенный адрес IPv4 и MAC-адрес устройства, что специально обеспечивает обратную совместимость через NAT. Это означает, что вы можете настроить ваше устройство с поддержкой Ethernet в качестве сервера, маршрутизатора или точки доступа на более высоком уровне, если оно может поддерживать эту трансляцию.

Примеры MCU с Ethernet

Если вы новичок в проектировании встроенных систем для промышленных систем, домашней автоматизации или других коммерческих областей, возможно, вы не обратили внимание на доступные варианты MCU, поддерживающих Ethernet. Достаточно много крупных производителей ИС предлагают MCU, способные работать с Ethernet, в своих популярных линейках продуктов. Вот некоторые из продуктов MCU, которые вы найдете на рынке и которые поддерживают Ethernet.

STMicroelectronics, STM32F40x

Линейка STM32F40x является частью очень популярного семейства MCU STM32 от STMicroelectronics. Эти компоненты поддерживают более интенсивные вычислительные задачи (32-бит, 168 МГц) и могут взаимодействовать с широким спектром датчиков благодаря их 3 высокоскоростным АЦП (2,4 MSPS или 7,6 MSPS с чередованием). Некоторые продукты также включают ЦАП для задач, таких как генерация произвольных сигналов. Эти компоненты доступны до 176 выводов для гибких вариантов расположения и количества входов/выходов, при этом поддерживая общие интерфейсы низкой скорости, а также USB.

MCU STM32F4x с Ethernet и блок-схемой PHY слоя. Источник: Техническое описание STM32F4x.

Microchip, PIC18F97J60

PIC18F97J60 от Microchip - это недорогой вариант, который предоставляет интегрированный Ethernet 10/100 наряду с поддержкой RS-485, RS-232 и LIN/J2602, а также других интерфейсов для промышленных приложений. Преимущество этого MCU заключается в том, что он предлагает все стандартные интерфейсы, которые вы ожидаете от MCU, не перегружая при этом выводы GPIO, по цене менее 10 долларов за единицу. Вы можете напрямую подключиться к RJ-45 с интегрированными магнитными элементами, что дает простой способ создать новый IoT-продукт с Ethernet. Недостатком является медленная тактовая частота (производная от 25 МГц опорной частоты) и 8-битная обработка, поэтому он лучше всего подходит для легких встроенных вычислений.

Этот MCU является хорошим выбором для промышленных приложений благодаря интерфейсам RS-485/RS-232. Он также может быть подключен для поддержки приложений, таких как управление двигателями с полумостовой или полномостовой схемой, благодаря своим выходам драйвера PWM. Эта конфигурация соединяет выход PWM от MCU с внешними драйверами FET, которые затем управляют нагрузкой, создавая разность фаз на выходных сигналах PWM. Добавив обратную связь с точным резистором измерения, ту же конфигурацию можно использовать для реализации алгоритма управления в преобразователях мощности или других системах, требующих регулируемого управления нагрузкой при высоком токе.

Конфигурация драйвера полумоста и полномоста Ethernet MCU PIC18F97J60. Источник: Техническое описание PIC18F97J60.

Texas Instruments, MSP432E4x

Часть популярного семейства MSP432, MSP432E4x от Texas Instruments - это 32-битные MCU с интегрированной поддержкой Ethernet. Этот компонент представлен в двух вариантах. MSP432E401Y поддерживает CAN и включает 1 МБ интегрированной Flash-памяти с 256 КБ RAM. MSP432E411Y имеет те же характеристики, но также включает поддержку TFT LCD экранов. Другие интегрированные функции включают 2 12-битных АЦП (2 MSPS), поддержку шифрования, 3 аналоговых компаратора и 16 цифровых компараторов. Наконец, этот MCU может работать с адресом IPv4 или IPv6 (TCP, UDP и ICMP).

Упаковка и расположение контактов NFBGA для MSP432E4x. Источник: Texas Instruments.

Другие компоненты, необходимые для встраиваемых устройств

Встраиваемые системы не ограничиваются только MCU и возможностями сетевого подключения. Дизайнерам могут потребоваться другие компоненты, чтобы компенсировать недостатки MCU с Ethernet. Когда вам нужно добавить больше аппаратных функций для критически важных особенностей вашей системы, обратите внимание на некоторые другие компоненты, которые могут понадобиться для нового продукта IoT:

Независимо от того, где будет использоваться ваш новый продукт, вы можете найти Ethernet MCU с поддержкой PHY и MAC, используя расширенный поиск и функции фильтрации на Octopart. Когда вы используете поисковую систему электронных компонентов Octopart, вы получаете доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, инвентаризации компонентов и спецификациям деталей, и всё это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые вам компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.