高速リアルタイム Ethernet 通信は、産業オートメーションや自動車システムにおける時間に敏感なアプリケーションにとってますます重要になっています。従来のマルチペア イーサネットは、パフォーマンスが不確実で、ケーブル ハーネスがかさばり、消費電力が高いため、このようなアプリケーションの要件を満たすことができないことがよくあります。
より効果的なソリューションは、簡素化された物理層 (PHY) を提供できるシングル ペア イーサネット (SPE) 標準に依存しますが、長いケーブル伝送距離と機能安全への対応という点でパフォーマンスの課題が生じる可能性があるほか、効果的な設計リソースの取得に関連する実装の課題も発生する可能性があります。エンジニアは、実装速度を加速しながら、リアルタイム SPE ネットワークの厳しいパフォーマンス要件を満たすことができる包括的なソリューションを必要としています。
この記事では、特に産業および自動車分野における重要で時間に敏感なアプリケーションの設計者が直面するネットワーク要件と関連問題について概説します。次に、イーサネット PHY トランシーバ、評価ボード、および関連設計リソースを含む Microchip Technology の SPE ソリューションが紹介されました。これは、設計者が標準準拠の SPE ネットワーク システムを実装する際に遭遇する新たな課題に対処するのに役立ちます。
主要なアプリケーション要件がリアルタイム イーサネットの必要性を促進する仕組み
リアルタイム イーサネットは、多くの重要な産業および自動車アプリケーションでますます重要な役割を果たしています。産業用モノのインターネット (IIoT) および産業用制御システムでは、センサー、コントローラー、アクチュエーター間の高精度な調整には、確定的な通信ネットワークをサポートする IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) などのプロトコルが必要です。先進運転支援システム (ADAS)、インフォテインメント、遠隔情報処理サブシステムなどの自動車アプリケーションでは、信頼性の高いリアルタイムのデータ交換には、車両環境の極端な条件に耐える能力が必要です。
工場の作業場であろうと車内であろうと、時間に敏感なネットワークは、遅延が低く制限されていること、高い耐障害性、および最小限のジッターを保証する必要があります。クロスデバイス同期を維持する機能は、特にシステムの運用とセキュリティにとってミリ秒の応答時間が重要な環境では非常に重要です。同時に、ネットワーク ソリューションは、製造ユニットまたは車両シャーシ内のネットワーク サブシステムの限られたスペースに適応する必要があります。
時間に敏感でスペースに制限のあるネットワークアプリケーションの要件を満たす方法
IEEE 802.3bw (100BASE-T1) および IEEE 802.3bp (1000BASE-T1) 標準によれば、SPE は産業および車載アプリケーションのギガビット イーサネット (GbE) に適しており、従来のイーサネットに代わる簡素化された物理層となっています。 SPE は、ケーブルの複雑さとシステム コストを削減しながら、時間に敏感なアプリケーションの厳しい要件をサポートします。ただし、これらの利点にもかかわらず、SPE ベースのネットワーク設計者は、適切なデバイスを統合し、機能セキュリティの準備を確保するという課題に依然として直面しています。
Microchip Technology の LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY トランシーバ (図 1) および関連する設計リソースは、開発者が標準に準拠した SPE ネットワークを実装する際にこれらの新たな課題に対処するのに役立ちます。 LAN8872 は、物理コーディング サブレイヤ (PCS)、有限ステート マシン (FSM)、アナログ フロントエンド (AFE)、低ドロップアウト (LDO) レギュレータ、電圧監視、オンチップ終端、統合フィルタリングを含む完全な PHY サブシステムを統合します。
Microchip LAN8872 統合 1000BASE-T1 PHY トランシーバーの概略図 (クリックして拡大)
図 1: LAN8872 は、PCS、LDO レギュレータ、電圧監視 AFE、FSM、オンチップ端子や統合フィルタリングなどの完全な機能を含む統合 1000BASE-T1 PHY トランシーバを提供します。 (画像出典: Microchip Technology)
LAN8872 には、IEEE 1588-2019 および IEEE 802.1AS-2020 高精度クロック同期プロトコル標準のサポートが組み込まれており、リアルタイム イーサネット オーディオおよびビデオ ブリッジング (AVB) および IEEE 802.1 タイムセンシティブ ネットワーク (TSN) 標準と完全に互換性があります。 LAN8872 の確定的なタイミング機能は、開発者が複数のシステム間で緊密な同期を維持するのに役立ち、エネルギー管理機能は、過酷な環境でも堅牢な低電力接続に対する人々の需要を満たすことができます。
低電力 SPE ネットワーク設計を簡素化
LAN8872 は Microchip の EtherGREEN 省エネ技術を採用しており、これによりデバイスは超低電力スリープ モードでわずか 15 マイクロアンペア (μA) の標準消費量を達成できます。このデバイスは、OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10) 標準のリモート スリープおよびウェイクアップ メカニズムをサポートし、スリープ要求を認識し、WAKE-IN パルス ウェイクアップに応答できます。その INH 出力により、デバイスは電子制御ユニット (ECU) の電源を有効または無効にすることができます。 LAN8872 には、Microchip の FlexPWR 電源管理テクノロジが搭載されており、可変 I/O およびコア電源電圧を通じてエネルギーをさらに節約します。
LAN8872 の高度な統合により、設計がさらに簡素化されます。広範な統合機能に加えて、オンチップの終端抵抗と統合された送信フィルタリング機能の組み合わせにより、ソリューションのサイズがコンパクトになり、電磁干渉 (EMI) が低くなります。システム レベルの統合のために、LAN8872 は基準クロック出力と標準シリアル ギガビット メディア独立インターフェイス (SGMII) を備えており、イーサネット メディア アクセス コントローラー (MAC) や、システム オン チップ (SoC)、マイクロコントローラー (MCU)、フィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) などの MAC 機能を備えたデバイスとのインターフェイスを簡素化します (図 2)。
Microchip ATA8520D Sigfox トランシーバーの回路図
図 2: 開発者は、LAN8872 PHY トランシーバーを SPE ネットワーク ソリューションに統合するために、いくつかの追加コンポーネントのみが必要です。 (画像出典: Microchip Technology)
LAN8872 は IEEE 802.3bp-2016 標準に準拠しており、重要な産業および自動車ネットワークのトラブルシューティングをサポートしながら、1 対のワイヤを通じてギガビット パフォーマンスを提供するように設計されています。このデバイスはネットワーク診断に役立ち、その機能には、短絡または断線ケーブル欠陥検出、受信機信号品質インジケーター (SQI)、過熱保護、低電圧保護、フルステート割り込みサポート、およびさまざまなループバックおよびテスト モードが含まれます。
LAN8872 に基づいた SPE ソリューションの設計を加速する
設計と開発を加速するために、マイクロチップはさまざまな開発者の要件を満たす評価ボードを提供しています。システム レベルの設計テストと検証を容易にするために、Microchip の EV75E52A EVB-LAN8870-MC 評価ボード (図 3) は、1000BASE-T1 と標準ギガビット イーサネットをブリッジできる完全なメディア コンバータを提供します。開発者は、CAT5 イーサネット ケーブルを GbE ポートから回路基板の RJ-45 インターフェイスに接続し、ツイスト ペア ケーブルを SPE ネットワークから回路基板の T1 車載イーサネット インターフェイスに接続するだけで済みます。