A comunicação Ethernet de alta velocidade em tempo real está se tornando cada vez mais importante para aplicações sensíveis ao tempo em automação industrial e sistemas automotivos. A Ethernet multipar tradicional muitas vezes não atende aos requisitos de tais aplicações devido ao seu desempenho incerto, chicotes de cabos volumosos e alto consumo de energia.
Uma solução mais eficaz depende do padrão Single Pair Ethernet (SPE), que pode fornecer uma camada física simplificada (PHY), mas pode representar desafios de desempenho em termos de longa distância de transmissão por cabo e prontidão de segurança funcional, bem como desafios de implementação relacionados à obtenção de recursos de design eficazes. Os engenheiros precisam de uma solução abrangente que possa atender aos rígidos requisitos de desempenho das redes SPE em tempo real e, ao mesmo tempo, acelerar a velocidade de implementação.
Este artigo descreve os requisitos de rede e os problemas relacionados enfrentados pelos projetistas de aplicações críticas e sensíveis ao tempo, especialmente nas áreas industrial e automotiva. Em seguida, foi introduzida a solução SPE da Microchip Technology, incluindo transceptores Ethernet PHY, placas de avaliação e recursos de design relacionados, que podem ajudar os projetistas a enfrentar novos desafios encontrados na implementação de sistemas de rede SPE compatíveis com padrões.
Como os principais requisitos da aplicação impulsionam a necessidade de Ethernet em tempo real
A Ethernet em tempo real está desempenhando um papel cada vez mais importante em muitas aplicações industriais e automotivas críticas. Na Internet das Coisas Industrial (IIoT) e nos sistemas de controle industrial, a coordenação de alta precisão entre sensores, controladores e atuadores requer protocolos como o IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) para suportar redes de comunicação determinísticas. Em aplicações automotivas, incluindo sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS), infoentretenimento e subsistemas de processamento remoto de informações, a troca confiável de dados em tempo real requer a capacidade de suportar condições extremas no ambiente do veículo.
Seja na oficina da fábrica ou no carro, as redes sensíveis ao tempo devem garantir latência baixa e limitada, alta tolerância a falhas e jitter mínimo. A capacidade de manter a sincronização entre dispositivos é crucial, especialmente em ambientes onde o tempo de resposta em milissegundos é crítico para a operação e segurança do sistema. Ao mesmo tempo, as soluções de rede devem adaptar-se ao espaço limitado dos subsistemas de rede em unidades fabris ou chassis de veículos.
Como atender aos requisitos de aplicações sensíveis ao tempo e ao espaço limitado para redes
De acordo com os padrões IEEE 802.3bw (100BASE-T1) e IEEE 802.3bp (1000BASE-T1), o SPE é adequado para Gigabit Ethernet (GbE) em aplicações industriais e automotivas e se tornou uma alternativa simplificada de camada física à Ethernet tradicional. O SPE suporta requisitos rigorosos para aplicações sensíveis ao tempo, ao mesmo tempo que reduz a complexidade dos cabos e os custos do sistema. No entanto, apesar destas vantagens, os projetistas de redes baseadas em SPE ainda enfrentam desafios na integração de dispositivos apropriados e na garantia da sua prontidão de segurança funcional.
O transceptor LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY da Microchip Technology (Figura 1) e os recursos de design relacionados podem ajudar os desenvolvedores a enfrentar esses desafios emergentes ao implementar redes SPE compatíveis com padrões. LAN8872 integra um subsistema PHY completo, incluindo subcamada de codificação física (PCS), máquina de estado finito (FSM), front-end analógico (AFE), regulador de baixa queda (LDO), monitoramento de tensão, terminação no chip e filtragem integrada.
Diagrama esquemático do transceptor PHY 1000BASE-T1 integrado Microchip LAN8872 (clique para ampliar)
Figura 1: LAN8872 fornece um transceptor PHY 1000BASE-T1 integrado, incluindo PCS, regulador LDO, monitoramento de tensão AFE, FSM, funções completas, como terminais no chip e filtragem integrada. (Fonte da imagem: Tecnologia Microchip)
LAN8872 tem suporte integrado para padrões de protocolo de sincronização de relógio de precisão IEEE 1588-2019 e IEEE 802.1AS-2020 e é totalmente compatível com padrões de ponte de áudio e vídeo Ethernet em tempo real (AVB) e rede sensível ao tempo (TSN) IEEE 802.1. A função de temporização determinística do LAN8872 pode ajudar os desenvolvedores a manter uma sincronização rígida entre vários sistemas, e sua função de gerenciamento de energia pode atender à demanda das pessoas por conexões robustas de baixo consumo de energia, mesmo em ambientes adversos.
Simplifique o projeto de rede SPE de baixo consumo de energia
O LAN8872 adota a tecnologia de economia de energia EtherGREEN da Microchip, que permite ao dispositivo atingir um consumo típico de apenas 15 microamperes (μ A) no modo de suspensão de energia ultrabaixa. Este dispositivo suporta o mecanismo remoto de suspensão e despertar do padrão OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10) e pode reconhecer solicitações de suspensão e responder à ativação por pulso WAKE-IN. Sua saída INH permite que o dispositivo habilite ou desabilite a alimentação da unidade de controle eletrônico (ECU). O LAN8872 está equipado com a tecnologia de gerenciamento de energia FlexPWR da Microchip, que economiza ainda mais energia por meio de E/S variáveis e tensão de alimentação central.
A alta integração do LAN8872 simplifica ainda mais o design. Além de suas extensas funções de integração, a combinação de resistores terminais no chip e recursos integrados de filtragem de transmissão tornam a solução compacta em tamanho e com baixa interferência eletromagnética (EMI). Para integração em nível de sistema, o LAN8872 possui uma saída de clock de referência e uma interface independente de mídia serial gigabit padrão (SGMII), simplificando a interface com controladores de acesso de mídia Ethernet (MAC) ou dispositivos com funcionalidade MAC, incluindo sistema em chip (SoC), microcontrolador (MCU) e matriz de portas programáveis em campo (FPGA) (Figura 2).
Diagrama esquemático do transceptor Microchip ATA8520D Sigfox
Figura 2: Os desenvolvedores precisam apenas de alguns componentes adicionais para integrar o transceptor LAN8872 PHY em sua solução de rede SPE. (Fonte da imagem: Tecnologia Microchip)
LAN8872 está em conformidade com o padrão IEEE 802.3bp-2016 e foi projetado para fornecer desempenho gigabit por meio de um único par de fios, ao mesmo tempo em que oferece suporte à solução de problemas em redes industriais e automotivas críticas. Este dispositivo é útil para diagnóstico de rede e seus recursos incluem detecção de defeitos em cabos de curto-circuito ou circuito aberto, indicador de qualidade do sinal do receptor (SQI), proteção contra superaquecimento, proteção contra subtensão, suporte total à interrupção de estado e vários modos de loopback e teste.