Simplifier la mise en œuvre des réseaux Single Pair Ethernet pour les applications sensibles au temps critiques

La communication Ethernet en temps réel à haut débit est de plus en plus cruciale pour les applications sensibles au temps dans l'automatisation industrielle et les systèmes automobiles. Pour répondre aux exigences de ces types d'applications, l'Ethernet multipaire conventionnel est souvent insuffisant en raison de ses performances non déterministes, de ses faisceaux de câbles encombrants et de sa consommation d'énergie élevée.

Les solutions plus efficaces s'appuient sur les normes Single Pair Ethernet (SPE), qui offrent une couche physique (PHY) rationalisée mais peuvent présenter des défis de performances en termes de portée de câble étendue et de disponibilité de la sécurité fonctionnelle, ainsi que des défis de mise en œuvre liés à la disponibilité de ressources de conception efficaces. Les ingénieurs ont besoin d'une solution complète qui répond aux exigences de performances strictes pour la mise en réseau SPE en temps réel tout en accélérant la mise en œuvre.

Cet article décrit les exigences de mise en réseau et les problèmes connexes auxquels sont confrontés les concepteurs d'applications sensibles au temps critiques, en particulier dans les secteurs industriel et automobile. Il présente ensuite des solutions SPE de Microchip Technology, notamment un émetteur-récepteur PHY Ethernet, des cartes d'évaluation et des ressources de conception associées qui aident les concepteurs à relever les défis émergents liés à la mise en œuvre de systèmes de réseau SPE conformes aux normes.

Les exigences d'applications critiques stimulent la demande en matière d'Ethernet en temps réel

L'Ethernet en temps réel joue un rôle croissant dans de nombreuses applications industrielles et automobiles critiques. Dans l'Internet industriel des objets (IIoT) et les systèmes de contrôle industriel, la coordination de haute précision entre les capteurs, les contrôleurs et les actionneurs requiert des réseaux de communications déterministes avec des protocoles tels que PTP (Precision Time Protocol) IEEE 1588. Dans les applications automobiles, notamment les systèmes d'aide à la conduite (ADAS), l'infodivertissement et les sous-systèmes télématiques, l'échange de données fiable en temps réel doit résister aux conditions extrêmes de l'environnement du véhicule.

Que ce soit dans l'usine ou à l'intérieur d'un véhicule, les réseaux sensibles au temps doivent garantir une latence faible et limitée, une haute tolérance aux défauts et une gigue minimale. La capacité à maintenir la synchronisation entre les dispositifs est essentielle, en particulier dans les environnements où des temps de réponse de l'ordre de la milliseconde sont critiques pour le fonctionnement et la sécurité du système. Dans le même temps, les solutions de mise en réseau doivent s'adapter à l'espace limité disponible pour les sous-systèmes de réseau dans les cellules de fabrication ou les châssis de véhicules.

Répondre aux exigences de mise en réseau pour les applications à espace restreint et sensibles au temps

Régie par les normes IEEE 802.3bw (100BASE-T1) et IEEE 802.3bp (1000BASE-T1) pour Gigabit Ethernet (GbE) dans les applications industrielles et automobiles, la technologie SPE s'est imposée comme une alternative PHY rationalisée à l'Ethernet conventionnel. SPE prend en charge les exigences rigoureuses des applications sensibles au temps tout en réduisant la complexité de câblage et le coût des systèmes. Cependant, malgré ces avantages, les concepteurs de réseaux basés sur SPE sont toujours confrontés à des défis pour intégrer les dispositifs appropriés et garantir leur sécurité fonctionnelle.

L'émetteur-récepteur PHY SPE 1000BASE-T1 LAN8872 de Microchip Technology (Figure 1) et les ressources de conception associées aident les développeurs à relever ces nouveaux défis lors de la mise en œuvre de réseaux SPE conformes aux normes. Le LAN8872 intègre un sous-système PHY complet, comprenant une sous-couche de codage physique (PCS), une machine à états finis (FSM), un circuit d'entrée analogique (AFE), un régulateur à faible chute de tension (LDO), une surveillance de tension, une terminaison sur puce et un filtrage intégré.

Figure 1 : Le LAN8872 fournit un émetteur-récepteur PHY 1000BASE-T1 intégré, avec PCS, régulateur LDO, surveillance de tension, AFE, FSM, terminaison sur puce et filtrage intégré. (Source de l'image : Microchip Technology)

Prenant en charge les normes de protocole de synchronisation d'horloge de précision IEEE 1588-2019 et IEEE 802.1AS-2020, le LAN8872 est entièrement compatible avec les normes AVB (Audio Video Bridging) et TSN (Time-Sensitive Networking) IEEE 802.1 pour les réseaux Ethernet en temps réel. Tandis que les capacités de temporisation déterministe du LAN8872 aident les développeurs à maintenir une synchronisation étroite entre plusieurs systèmes, ses capacités de gestion de l'énergie répondent au besoin d'une connectivité basse consommation robuste, même en environnements difficiles.

Simplifier la conception des réseaux SPE basse consommation

Le LAN8872 intègre la technologie écoénergétique EtherGREEN de Microchip, permettant au dispositif de ne typiquement consommer que 15 μA en mode veille ultrabasse consommation. Prenant en charge les mécanismes de veille et d'activation à distance de la norme OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10), le dispositif peut reconnaître les demandes de veille et s'activer en réponse aux impulsions WAKE_IN. Sa sortie INH permet au dispositif d'activer ou de désactiver l'alimentation du calculateur (ECU). Intégrée au LAN8872, la technologie de gestion de l'alimentation FlexPWR de Microchip permet des économies d'énergie supplémentaires grâce à des tensions d'alimentation de base et E/S variables.

Le haut niveau d'intégration du LAN8872 contribue à simplifier davantage la conception. Outre ses nombreuses fonctionnalités intégrées, ses résistances de terminaison sur puce et son filtrage de transmission intégré se combinent pour permettre des solutions à empreinte compacte et faibles interférences électromagnétiques (EMI). Pour l'intégration au niveau système, le LAN8872 dispose d'une sortie d'horloge de référence et d'une interface SGMII (Serial Gigabit Media-Independent Interface), simplifiant les interfaces avec les contrôleurs MAC ou les dispositifs compatibles MAC, y compris les systèmes sur puce (SoC), les microcontrôleurs (MCU) et les FPGA (Figure 2).

Figure 2 : Les développeurs n'ont besoin que de quelques composants additionnels pour intégrer l'émetteur-récepteur PHY LAN8872 à leurs solutions de réseau SPE. (Source de l'image : Microchip Technology)

Conforme à la norme IEEE 802.3bp-2016, le LAN8872 est conçu pour offrir des performances de l'ordre du gigabit sur une seule paire de fils tout en prenant en charge le dépannage dans les réseaux industriels et automobiles critiques. Le dispositif facilite le diagnostic réseau grâce à des fonctionnalités telles que : détection des défauts de câbles (courts-circuits ou circuits ouverts), indicateur de qualité de signal (SQI) du récepteur, protection contre la surchauffe, protection contre les sous-tensions, prise en charge complète des interruptions d'état et divers modes de bouclage et de test.

Accélérer la conception de solutions SPE basées sur le LAN8872

Afin d'accélérer la conception et le développement, Microchip fournit des cartes d'évaluation conçues pour répondre aux différentes exigences des développeurs. Pour faciliter les tests et la validation des conceptions au niveau système, la carte d'évaluation EV75E52A EVB-LAN8870-MC de Microchip (Figure 3) fournit un convertisseur de média complet qui relie 1000BASE-T1 et gigabit Ethernet standard. Les développeurs doivent simplement connecter un câble Ethernet CAT5 entre le port GbE et le jack RJ-45 de la carte, et connecter un câble à paire torsadée unique entre leur réseau SPE et le connecteur Ethernet automobile T1 de la carte.

Figure 3 : La carte d'évaluation EV75E52A EVB-LAN8870-MC fournit un convertisseur de média complet pour tester les conceptions connectant les réseaux SPE à gigabit Ethernet. (Source de l'image : Microchip Technology)

Pour les développeurs souhaitant évaluer les capacités PHY, la carte EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII de Microchip (Figure 4) fournit un sous-système PHY complet avec une interface PHY directe.

Figure 4 : La carte EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII fournit un sous-système PHY complet pour l'évaluation PHY dans les conceptions SPE. (Source de l'image : Microchip Technology)

La carte EVB-LAN8870-RGMII (Figure 5, à gauche) est conçue pour être reliée, via son connecteur d'interface PHY, aux cartes de systèmes de développement Ethernet EDS de Microchip, y compris les cartes EV88E76A EVB-LAN7801-EDS et EVB-LAN7431-EDS (Figure 5, à droite).

Figure 5 : Les développeurs peuvent connecter la carte PHY EVB-LAN8870-RGMII (à gauche) à des cartes EDS telles que l'EVB-LAN7431-EDS (à droite) pour accéder à tous les registres PHY via des pilotes hôtes de développement. (Source de l'image : Microchip Technology)

Les développeurs travaillant avec la carte EVB-LAN8870-RGMII peuvent accéder à tous les registres PHY via des pilotes de carte EDS exécutés sur des hôtes Windows ou Linux. Ceux qui travaillent avec l'EVB-LAN8870-MC peuvent configurer et surveiller les performances de l'émetteur-récepteur via un progiciel GUI basé sur Windows.

Pour accélérer le développement de conceptions SPE personnalisées, Microchip fournit des instructions de configuration et des schémas de référence complets, ainsi qu'un écosystème logiciel étendu pour l'intégration LAN8872. Des pilotes sont disponibles pour les plateformes populaires, notamment Linux, FreeRTOS et AUTOSAR. L'infrastructure de développement logiciel embarquée MPLAB Harmony de Microchip intègre des pilotes, des bibliothèques de périphériques et la prise en charge de Code Configurator qui rationalise la configuration et le test des conceptions PHY LAN8872.

Au-delà de ces ressources de développement, le service gratuit de révision de conception MicroCHECK de Microchip offre une assistance directe à chaque étape de la mise en œuvre, du concept à la configuration. Avec le service MicroCHECK, les développeurs peuvent soumettre leurs schémas et leurs configurations de circuits imprimés pour un examen par des experts et recevoir des commentaires exploitables sur l'intégrité des signaux, la distribution d'alimentation et la conformité aux pratiques de conception recommandées. En utilisant le service MicroCHECK dès les premières étapes de conception, les développeurs peuvent minimiser le risque que des problèmes d'implémentation PHY surviennent ultérieurement au cours du processus de production.

Dans un flux de travail de développement typique, les développeurs commencent par évaluer les capacités PHY dans leur conception à l'aide de l'une des cartes de référence de Microchip. Après avoir validé les performances et le comportement PHY dans l'environnement cible, ils peuvent procéder à l'intégration PHY dans une conception personnalisée à l'aide de schémas de référence et de recommandations de configuration. Avant de s'engager dans la construction d'un prototype, ils soumettent leur conception à l'examen de MicroCHECK, garantissant ainsi que leur implémentation est robuste et prête pour la production.

Conclusion

Tandis que l'Ethernet en temps réel devient essentiel dans un nombre croissant d'applications industrielles et automobiles, les développeurs sont confrontés à une pression croissante pour mettre en œuvre des solutions réseau compactes, basse consommation et conformes aux normes. Bénéficiant de ressources complètes et d'un support de révision de projet par des experts, l'émetteur-récepteur PHY 1000BASE-T1 LAN8872 de Microchip permet d'accélérer le développement des conceptions nécessaires pour garantir une connectivité SPE fiable et hautes performances.