Làm Việc Với Ethernet MCUs Có Hỗ Trợ PHY cho IPv4/IPv6 IoT

Created: Tháng Sáu 15, 2021
Updated: Tháng Sáu 25, 2023

Các MCU nhỏ là trụ cột của hầu hết các sản phẩm IoT dành cho người tiêu dùng và một số ứng dụng công nghiệp. Nếu bạn cần một chip nhỏ, giá rẻ với khả năng tính toán vừa phải và một loạt tốc độ, bạn sẽ thấy nhiều lựa chọn về MCU trên thị trường. MCU cũng đi kèm với nhiều giao diện tốc độ thấp với các thiết bị ngoại vi khác, làm cho MCU trở thành nền tảng linh hoạt cho hầu hết các sản phẩm IoT.

Khi chúng ta nghĩ về các sản phẩm IoT hoặc các thiết bị nhúng khác, chúng ta thường nghĩ đến việc kết nối qua Wifi hoặc Bluetooth. Điều này có thể đúng ở cấp độ người tiêu dùng, chẳng hạn như đối với thiết bị đeo và sản phẩm nhà thông minh. Tuy nhiên, Ethernet sẽ không biến mất sớm, và nhiều ứng dụng thương mại và công nghiệp sẽ sử dụng Ethernet để giao tiếp một cách rộng rãi. Cũng cần phải xem xét đến năng lượng qua Ethernet (PoE), cung cấp cho các nhà thiết kế một lựa chọn hữu ích để cung cấp năng lượng cho các thiết bị nhúng của họ.

Nếu bạn muốn sử dụng Ethernet để giao tiếp giữa thiết bị nhúng của mình và một mạng lớn hơn, bạn sẽ cần tích hợp các lớp MAC/PHY vào thiết bị của mình để có thể giao tiếp đúng cách với một jack RJ-45 tiêu chuẩn. Nếu bạn muốn giảm kích thước của hệ thống, bạn có thể sử dụng một MCU Ethernet với hỗ trợ PHY và MAC được tích hợp vào bộ điều khiển. Dưới đây là một số lợi ích khi bạn chọn lựa con đường này và một số thành phần bạn có thể tìm thấy trên thị trường cho hệ thống của mình.

Chọn MCU Ethernet với PHY/MAC

Điều đầu tiên dành cho các nhà thiết kế Ethernet mới cần lưu ý là: MCU không bao gồm lớp PHY Ethernet được tích hợp vào chip. Tuy nhiên, một số MCU có bao gồm giao diện MAC cần thiết để kết nối trực tiếp với lớp PHY (tức là, mạch từ tính, kết thúc Bob Smith, và sau đó là bộ kết nối). Bạn cũng có thể kết nối trực tiếp với một RJ-45 có từ tính tích hợp (magjack).

Nếu bạn đã chọn sử dụng một MCU với hỗ trợ PHY/MAC Ethernet tích hợp, bạn có thể mong đợi mức hiệu suất nào từ các thành phần này? Với dải tính năng rộng lớn trong bất kỳ MCU nào, mức độ hiệu suất và bộ tính năng mong đợi phụ thuộc vào kích thước bạn có thể chấp nhận và chi phí bạn sẵn lòng trả. Bạn có thể cần phải hy sinh một số tính năng khác nếu bạn muốn sử dụng một MCU với Ethernet. Một số thành phần mà chúng tôi sẽ trình bày dưới đây vẫn bao gồm tất cả các giao diện tiêu chuẩn mà bạn mong đợi trong hầu hết các MCU, bao gồm:

UART, I2C, SPI, hoặc các giao diện bus khác
USB 2.0 hoặc 3.0 với giao diện chủ tích hợp
Nhiều GPIO để giao tiếp với các IC khác
Đầu ra PWM với chu kỳ làm việc có thể điều chỉnh

Thông số Kỹ thuật Quan trọng

Mặc dù chúng ta không thể tổng quát hóa thông số kỹ thuật cho mọi MCU với Ethernet, chúng ta có thể thấy một số xu hướng chung trong các thiết bị này từ các nhà sản xuất linh kiện hàng đầu:

Chi phí: Giá của một MCU có Ethernet có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào số lượng tính năng và I/O bạn cần. Nói chung, cho mỗi MCU hỗ trợ Wifi/Bluetooth, có một MCU khác hỗ trợ Ethernet với chi phí và số lượng I/O tương tự.
Kích thước: Những MCU này có kích thước chuẩn dành cho lắp đặt bề mặt (QFN, TQFP, v.v.) gần giống với các kích thước MCU khác có thông số kỹ thuật tương đương. Một số linh kiện có kích thước VFBGA để tiết kiệm không gian trên các bo mạch nhỏ.
Tốc độ xung và chuẩn Base-T: Hai điểm này thường liên quan đến nhau vì tốc độ dữ liệu trong Ethernet bị giới hạn bởi tốc độ xung của bộ điều khiển. Một MCU với Ethernet cơ bản tích hợp một bộ thu phát vào linh kiện. Các linh kiện điển hình đủ nhanh để hỗ trợ Ethernet 10/100 trên đồng với PHY và MAC tích hợp.
Các giao diện khác: Bạn sẽ khó tìm thấy một MCU hỗ trợ Ethernet mà không có bộ giao diện tốc độ thấp tiêu chuẩn (nhiều GPIO + SPI/I2C/UART). Một số linh kiện cao cấp hơn có thể hỗ trợ USB, CAN hoặc các giao diện khác.

Với tất cả những điều này trong tâm trí, có một số ứng dụng nơi tốt nhất là từ bỏ kết nối không dây và chỉ sử dụng Ethernet. Một số lợi ích bao gồm sự đơn giản, phạm vi xa mà không cần điểm truy cập không dây, và quan trọng nhất, chi phí và kích thước. Bạn cũng có thể tận dụng điều khiển thời gian chính xác IEEE 1588 qua định tuyến MII/RMII cho các ứng dụng dữ liệu thời gian thực, điều này loại bỏ độ trễ của Bluetooth hoặc Wifi. Cuối cùng, điều này giảm tổng số linh kiện bằng cách loại bỏ một chip MAC bên ngoài cho giao tiếp với lớp PHY.

Có những điểm khác cần xem xét nếu bạn đang thiết kế một thiết bị nhúng sẽ bao gồm Ethernet. Ngoài nhu cầu về các giao diện tốc độ cao khác như USB, cũng cần xem xét cách thiết bị của bạn sẽ tích hợp vào một cấu trúc mạng lớn hơn vì điều này sẽ ảnh hưởng đến lựa chọn MCU của bạn. Một số MCU Ethernet không thể được sử dụng để phục vụ giao diện web cho người dùng qua internet, trong khi một số khác có thể được sử dụng để xây dựng một máy chủ nhúng, cổng thông tin, hoặc điểm truy cập trên một mạng lớn hơn.

Cơ sở hạ tầng mạng và Địa chỉ IP

Thị trường địa chỉ IP bắt đầu trở nên khan hiếm khoảng 20 năm trước, với nguồn địa chỉ IPv4 truyền thống bắt đầu cạn kiệt. Mặc dù sự cạn kiệt của địa chỉ IPv4 đã được dự đoán vào cuối những năm 1990, địa chỉ IPv4 cuối cùng không được phân bổ cho đến năm 2012, và một chuẩn IPv6 mới đã được áp dụng vào năm 2017. Ngoài sự phát triển trong kỷ nguyên internet, một động lực chính cho việc chuyển sang định dạng IPv6 mới là sự tăng trưởng trong các thiết bị nhúng giá rẻ cần kết nối internet (hoặc trực tiếp như một máy chủ hoặc gián tiếp qua một bộ định tuyến).

Topo mạng với các thiết bị IPv4 và IPv6 có địa chỉ IPv6.

Một số mô-đun và linh kiện MCU có thể hỗ trợ kiến trúc tích hợp web qua Ethernet hoặc không dây bằng cách kết nối với modem. Giờ đây, với nhiều thiết bị tích hợp truyền thông di động trên bo mạch qua modem, các thiết bị khách cuối có thể không cần Ethernet trừ khi chúng kết nối với một địa điểm cố định và cần một kết nối rất đáng tin cậy (văn phòng, sàn nhà máy, v.v.).

MCU bao gồm PHY/MAC Ethernet với hỗ trợ IPv6 sẽ tìm thấy tính ứng dụng trong bất kỳ ứng dụng nào giống như IPv4. Có một huyền thoại rằng IPv6 không tương thích ngược với IPv4, nhưng sự tương thích này được xử lý bằng Công nghệ Dịch địa chỉ Mạng (NAT). Có một định dạng được xác định cho địa chỉ IPv6 chứa địa chỉ IPv4 được nhúng và địa chỉ MAC của thiết bị, cụ thể hóa sự tương thích ngược thông qua NAT. Điều này có nghĩa là bạn có thể cấu hình thiết bị nhúng tương thích Ethernet của mình như một máy chủ/phát sóng điểm truy cập phía trên miễn là nó có thể hỗ trợ bản dịch này.

Ví dụ về MCU hỗ trợ Ethernet

Nếu bạn mới bắt đầu với thiết kế nhúng cho hệ thống công nghiệp, tự động hóa nhà ở, hoặc các lĩnh vực thương mại khác, bạn có thể đã bỏ qua các lựa chọn có sẵn cho MCU hỗ trợ Ethernet. Khá nhiều nhà sản xuất IC lớn cung cấp MCU có khả năng Ethernet trong các dòng sản phẩm phổ biến của họ. Dưới đây là một số sản phẩm MCU bạn sẽ tìm thấy trên thị trường hỗ trợ Ethernet.

STMicroelectronics, STM32F40x

Dòng STM32F40x là một phần của gia đình MCU STM32 rất phổ biến của STMicroelectronics. Các linh kiện này hỗ trợ các tác vụ tính toán nặng hơn (32-bit, 168 MHz) và có thể kết nối với một loạt cảm biến nhờ vào 3 ADC tốc độ cao của chúng (2.4 MSPS, hoặc 7.6 MSPS với ghép nối). Một số sản phẩm cũng bao gồm DAC cho các tác vụ như tạo sóng tùy ý. Các linh kiện này có sẵn đến 176 chân cho các lựa chọn dấu chân và số lượng IO linh hoạt trong khi vẫn hỗ trợ các giao diện tốc độ thấp phổ biến, cũng như USB.

MCU Ethernet STM32F4x với sơ đồ khối lớp PHY. Nguồn: Tài liệu dữ liệu STM32F4x.

Microchip, PIC18F97J60

PIC18F97J60 từ Microchip là một lựa chọn giá rẻ cung cấp Ethernet 10/100 tích hợp cùng với hỗ trợ RS-485, RS-232, và LIN/J2602, và các giao diện khác cho ứng dụng công nghiệp. Lợi ích của MCU này là nó cung cấp tất cả các giao diện tiêu chuẩn bạn mong đợi trong một MCU mà không làm quá tải về chân GPIO với một giá dưới 10 đô la mỗi đơn vị. Bạn có thể kết nối trực tiếp với một RJ-45 có tích hợp magnetics, cung cấp một cách đơn giản để xây dựng một sản phẩm IoT mới với Ethernet. Nhược điểm là tốc độ đồng hồ chậm (được phái sinh từ một tham chiếu 25 MHz) và xử lý 8-bit, vì vậy nó tốt nhất cho tính toán nhúng nhẹ.

MCU này là một lựa chọn tốt cho các ứng dụng công nghiệp nhờ vào các giao diện RS-485/RS-232. Nó cũng có thể được kết nối để hỗ trợ các ứng dụng như điều khiển động cơ nửa cầu hoặc cầu đầy đủ với các đầu ra trình điều khiển PWM của nó. Cấu hình này kết hợp đầu ra PWM từ MCU với các trình điều khiển FET bên ngoài, sau đó chúng điều khiển tải bằng cách tạo ra sự chênh lệch pha trên các tín hiệu PWM đầu ra. Bằng cách thêm một vòng phản hồi với một điện trở cảm biến chính xác, cùng một cấu hình có thể được sử dụng để thực hiện một thuật toán điều khiển trong bộ chuyển đổi công suất hoặc các hệ thống khác yêu cầu điều khiển tải ở dòng điện cao một cách có điều tiết.

Cấu hình trình điều khiển nửa cầu và cầu đầy đủ của PIC18F97J60 Ethernet MCU. Nguồn: Tài liệu dữ liệu PIC18F97J60.

Texas Instruments, MSP432E4x

Thuộc về gia đình MSP432 phổ biến, MSP432E4x từ Texas Instruments là các MCU 32-bit với hỗ trợ Ethernet tích hợp. Thành phần này có hai biến thể. MSP432E401Y hỗ trợ CAN và bao gồm 1 MB Flash tích hợp với 256 KB RAM. MSP432E411Y có cùng thông số kỹ thuật nhưng cũng bao gồm hỗ trợ cho màn hình TFT LCD. Các tính năng tích hợp khác bao gồm 2 ADC 12-bit (2 MSPS), hỗ trợ mã hóa, 3 bộ so sánh analog và 16 bộ so sánh số. Cuối cùng, MCU này có thể hoạt động với địa chỉ IPv4 hoặc IPv6 (TCP, UDP, và ICMP).

Gói và mẫu đất của MSP432E4x NFBGA. Nguồn: Texas Instruments.

Các Thành Phần Khác Bạn Cần cho Thiết Bị Nhúng

Hệ thống nhúng không dừng lại ở MCU và khả năng kết nối mạng. Các nhà thiết kế có thể cần các thành phần khác để bù đắp cho bất kỳ thiếu sót nào trong MCU với Ethernet. Khi bạn cần thêm các chức năng phần cứng cho các tính năng quan trọng trong hệ thống của mình, hãy xem xét một số thành phần khác bạn có thể cần cho một sản phẩm IoT mới:

Dù sản phẩm mới của bạn sẽ được triển khai ở đâu, bạn có thể tìm thấy một Ethernet MCU với hỗ trợ PHY và MAC bằng cách sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối được cập nhật, hàng tồn kho của các bộ phận, và thông số kỹ thuật của các bộ phận, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các thành phần bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.