أصبحت اتصالات Ethernet عالية السرعة في الوقت الفعلي ذات أهمية متزايدة للتطبيقات الحساسة للوقت في الأتمتة الصناعية وأنظمة السيارات. غالبًا ما تفشل شبكة Ethernet التقليدية متعددة الأزواج في تلبية متطلبات مثل هذه التطبيقات نظرًا لأدائها غير المؤكد، وأحزمة الكابلات الضخمة، والاستهلاك العالي للطاقة.
يعتمد الحل الأكثر فعالية على معيار Single Pair Ethernet (SPE)، والذي يمكن أن يوفر طبقة مادية مبسطة (PHY)، ولكنه قد يشكل تحديات في الأداء من حيث مسافة نقل الكابلات الطويلة واستعداد السلامة الوظيفية، بالإضافة إلى تحديات التنفيذ المتعلقة بالحصول على موارد تصميم فعالة. يحتاج المهندسون إلى حل شامل يمكنه تلبية متطلبات الأداء الصارمة لشبكات SPE في الوقت الفعلي مع تسريع سرعة التنفيذ.
توضح هذه المقالة متطلبات الشبكات والمشكلات ذات الصلة التي يواجهها مصممو التطبيقات المهمة والحساسة للوقت، خاصة في المجالات الصناعية والسيارات. بعد ذلك، تم تقديم حل SPE الخاص بشركة Microchip Technology، بما في ذلك أجهزة إرسال واستقبال Ethernet PHY ولوحات التقييم وموارد التصميم ذات الصلة، والتي يمكن أن تساعد المصممين على مواجهة التحديات الجديدة التي تمت مواجهتها في تنفيذ أنظمة شبكات SPE المتوافقة مع المعايير.
كيف تقود متطلبات التطبيق الرئيسية الحاجة إلى شبكة إيثرنت في الوقت الفعلي
تلعب شبكة Ethernet في الوقت الفعلي دورًا متزايد الأهمية في العديد من التطبيقات الصناعية وتطبيقات السيارات المهمة. في إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT) وأنظمة التحكم الصناعية، يتطلب التنسيق عالي الدقة بين أجهزة الاستشعار ووحدات التحكم والمشغلات بروتوكولات مثل IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) لدعم شبكات الاتصالات الحتمية. في تطبيقات السيارات، بما في ذلك أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS)، ونظام المعلومات والترفيه، والأنظمة الفرعية لمعالجة المعلومات عن بعد، يتطلب تبادل البيانات الموثوق به في الوقت الفعلي القدرة على تحمل الظروف القاسية في بيئة السيارة.
سواء في ورشة عمل المصنع أو في السيارة، يجب أن تضمن الشبكات الحساسة للوقت زمن وصول منخفض ومحدود، وتحمل عالي للأخطاء، والحد الأدنى من الارتعاش. تعد القدرة على الحفاظ على المزامنة عبر الأجهزة أمرًا بالغ الأهمية، خاصة في البيئات التي يكون فيها وقت الاستجابة بالمللي ثانية أمرًا بالغ الأهمية لتشغيل النظام وأمانه. وفي الوقت نفسه، يجب أن تتكيف حلول الشبكات مع المساحة المحدودة للأنظمة الفرعية للشبكة في وحدات التصنيع أو هيكل السيارة.
كيفية تلبية متطلبات التطبيقات الحساسة للوقت والمساحة للشبكات
وفقًا لمعايير IEEE 802.3bw (100BASE-T1) وIEEE 802.3bp (1000BASE-T1)، فإن SPE مناسبة لشبكة Gigabit Ethernet (GbE) في التطبيقات الصناعية وتطبيقات السيارات وأصبحت طبقة مادية مبسطة بديلة لشبكة Ethernet التقليدية. تدعم SPE المتطلبات الصارمة للتطبيقات الحساسة للوقت مع تقليل تعقيد الكابلات وتكاليف النظام. ومع ذلك، على الرغم من هذه المزايا، لا يزال مصممو الشبكات المعتمدون على SPE يواجهون تحديات في دمج الأجهزة المناسبة وضمان جاهزيتها الأمنية الوظيفية.
يمكن لجهاز الإرسال والاستقبال LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY الخاص بشركة Microchip Technology (الشكل 1) وموارد التصميم ذات الصلة أن تساعد المطورين على مواجهة هذه التحديات الناشئة عند تنفيذ شبكات SPE المتوافقة مع المعايير. يدمج LAN8872 نظام فرعي كامل من PHY، بما في ذلك الطبقة الفرعية للتشفير المادي (PCS)، وجهاز الحالة المحدودة (FSM)، والواجهة الأمامية التناظرية (AFE)، ومنظم التسرب المنخفض (LDO)، ومراقبة الجهد، والإنهاء على الرقاقة، والتصفية المتكاملة.
رسم تخطيطي لجهاز الإرسال والاستقبال المدمج Microchip LAN8872 1000BASE-T1 PHY (انقر للتكبير)
الشكل 1: يوفر LAN8872 جهاز إرسال واستقبال PHY 1000BASE-T1 متكامل، بما في ذلك PCS، ومنظم LDO، ومراقبة الجهد AFE، وFSM، ووظائف كاملة مثل المحطات الطرفية على الرقاقة والتصفية المتكاملة. (مصدر الصورة: تقنية الرقائق الدقيقة)
يحتوي LAN8872 على دعم مدمج لمعايير بروتوكول مزامنة الساعة الدقيقة IEEE 1588-2019 وIEEE 802.1AS-2020، وهو متوافق تمامًا مع معايير توصيل الصوت والفيديو عبر إيثرنت في الوقت الحقيقي (AVB) ومعايير الشبكة الحساسة للوقت IEEE 802.1 (TSN). يمكن لوظيفة التوقيت الحتمية لـ LAN8872 أن تساعد المطورين في الحفاظ على التزامن المحكم بين أنظمة متعددة، ويمكن لوظيفة إدارة الطاقة الخاصة بها تلبية طلب الأشخاص على اتصالات قوية منخفضة الطاقة حتى في البيئات القاسية.
تبسيط تصميم شبكة SPE منخفضة الطاقة
يعتمد LAN8872 تقنية EtherGREEN الموفرة للطاقة من Microchip، والتي تمكن الجهاز من تحقيق استهلاك نموذجي يبلغ 15 ميكرو أمبير فقط (μ A) في وضع السكون منخفض الطاقة للغاية. يدعم هذا الجهاز آلية النوم والاستيقاظ عن بعد الخاصة بمعيار اللجنة الفنية OPEN Alliance 10 (TC10)، ويمكنه التعرف على طلبات النوم والاستجابة لإيقاظ نبض WAKE-IN. يسمح مخرج INH الخاص به للجهاز بتمكين أو تعطيل مصدر الطاقة لوحدة التحكم الإلكترونية (ECU). تم تجهيز LAN8872 بتقنية إدارة الطاقة FlexPWR الخاصة بشركة Microchip، والتي توفر المزيد من الطاقة من خلال الإدخال/الإخراج المتغير وجهد مصدر الطاقة الأساسي.
يعمل التكامل العالي لـ LAN8872 على تبسيط التصميم بشكل أكبر. بالإضافة إلى وظائف التكامل الواسعة، فإن الجمع بين المقاومات الطرفية الموجودة على الرقاقة وقدرات تصفية الإرسال المتكاملة يجعل الحل صغير الحجم ومنخفض التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). من أجل التكامل على مستوى النظام، يحتوي LAN8872 على مخرج ساعة مرجعية وواجهة مستقلة لوسائط جيجابت تسلسلية قياسية (SGMII)، مما يبسط الواجهة مع وحدات تحكم الوصول إلى وسائط Ethernet (MAC) أو الأجهزة ذات وظيفة MAC، بما في ذلك النظام على الشريحة (SoC)، ووحدة التحكم الدقيقة (MCU)، ومصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA) (الشكل 2).
رسم تخطيطي لجهاز إرسال واستقبال Microchip ATA8520D Sigfox
الشكل 2: يحتاج المطورون فقط إلى عدد قليل من المكونات الإضافية لدمج جهاز الإرسال والاستقبال LAN8872 PHY في حل شبكة SPE الخاصة بهم. (مصدر الصورة: تقنية الرقائق الدقيقة)
يتوافق LAN8872 مع معيار IEEE 802.3bp-2016 وهو مصمم لتوفير أداء جيجابت من خلال زوج واحد من الأسلاك مع دعم استكشاف الأخطاء وإصلاحها في الشبكات الصناعية وشبكات السيارات الهامة. يعد هذا الجهاز مفيدًا لتشخيص الشبكة، وتشمل ميزاته اكتشاف عيوب الدائرة القصيرة أو كابل الدائرة المفتوحة، ومؤشر جودة إشارة المستقبل (SQI)، والحماية من الحرارة الزائدة، وحماية الجهد المنخفض، ودعم مقاطعة الحالة الكاملة، وأوضاع الاسترجاع والاختبار المختلفة.
تسريع تصميم حلول SPE بناءً على LAN8872
ومن أجل تسريع عملية التصميم والتطوير، توفر شركة Microchip لوحات تقييم لتلبية متطلبات المطورين المختلفين. لتسهيل اختبار التصميم على مستوى النظام والتحقق من صحته، توفر لوحة تقييم EV75E52A EVB-LAN8870-MC من Microchip (الشكل 3) محول وسائط كامل يمكنه ربط 1000BASE-T1 وGigabit Ethernet القياسي. يحتاج المطورون فقط إلى توصيل كبل CAT5 Ethernet من منفذ GbE إلى واجهة RJ-45 الخاصة بلوحة الدائرة، ثم توصيل كبل زوج ملتوي من شبكة SPE بواجهة Ethernet للسيارات T1 الخاصة بلوحة الدائرة.