Simplifique la implementación de redes Ethernet de par único para aplicaciones críticas sensibles al tiempo

La comunicación Ethernet de alta velocidad en tiempo real es cada vez más vital para las aplicaciones sensibles al tiempo en los sistemas de automatización industrial y automoción. A la hora de abordar los requisitos de este tipo de aplicaciones, la Ethernet multipar convencional suele quedarse corta debido a su rendimiento no determinista, sus voluminosos mazos de cables y su elevado consumo de energía.

Las soluciones más eficaces se basan en los estándares de Ethernet de par único (SPE), que ofrecen una capa física (PHY) simplificada, pero pueden plantear problemas de rendimiento para un mayor alcance de los cables y preparación para la seguridad funcional, así como problemas de implantación relacionados con la disponibilidad de recursos de diseño eficaces. Los ingenieros necesitan una solución completa que cumpla los estrictos requisitos de rendimiento de las redes SPE en tiempo real y, al mismo tiempo, acelere su implementación.

En este artículo se describen los requisitos de las redes y los problemas conexos a los que se enfrentan los diseñadores de aplicaciones críticas y urgentes, sobre todo en los sectores industrial y automovilístico. A continuación, presenta las soluciones SPE de Microchip Technology, incluido un transceptor Ethernet PHY, placas de evaluación y recursos de diseño asociados que ayudan a los diseñadores a afrontar los nuevos desafíos que plantea la implantación de sistemas de redes SPE conformes con los estándares.

Cómo los requisitos de las aplicaciones críticas impulsan la demanda de Ethernet en tiempo real

Ethernet en tiempo real desempeña un papel cada vez más importante en muchas aplicaciones industriales y automovilísticas críticas. En el Internet Industrial de las Cosas (IIoT) y los sistemas de control industrial, la coordinación de alta precisión entre sensores, controladores y actuadores requiere redes de comunicación deterministas habilitadas por protocolos como el Protocolo de Tiempo de Precisión (PTP) IEEE 1588. En las aplicaciones de automoción, incluidos los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), el infoentretenimiento y los subsistemas telemáticos, el intercambio fiable de datos en tiempo real debe soportar las condiciones extremas del entorno vehicular.

Ya sea en la fábrica o en el interior de un vehículo, las redes sensibles al tiempo deben garantizar una latencia baja y limitada, una alta tolerancia a los fallos y una fluctuación mínima. La capacidad de mantener la sincronización entre dispositivos es esencial, sobre todo en entornos donde los tiempos de respuesta de milisegundos son críticos para el funcionamiento y la seguridad del sistema. A su vez, las soluciones de red deben adaptarse al limitado espacio disponible para los subsistemas de red en las células de fabricación o los chasis de los vehículos.

Cómo cumplir los requisitos de conexión en red de las aplicaciones sensibles al tiempo y con limitaciones de espacio

Regulada por las normas IEEE 802.3bw (100BASE-T1) e IEEE 802.3bp (1000BASE-T1) para gigabit Ethernet (GbE) en aplicaciones industriales y de automoción, la SPE ha surgido como una alternativa PHY racionalizada a la Ethernet convencional. SPE cumple los rigurosos requisitos de las aplicaciones sensibles al tiempo mientras reduce la complejidad de los cables y el costo del sistema. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, los diseñadores de redes basadas en SPE siguen teniendo dificultades para integrar los dispositivos adecuados y garantizar su preparación para la seguridad funcional.

El transceptor LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY de Microchip Technology (Figura 1) y los recursos de diseño asociados ayudan a los desarrolladores a superar estos nuevos desafíos a la hora de implementar redes SPE conformes con los estándares. El LAN8872 integra un subsistema PHY completo, que incluye una subcapa de codificación física (PCS), una máquina de estado finito (FSM), un front-end analógico (AFE), un regulador de baja caída (LDO), control de tensión, terminación en chip y filtrado integrado.

Figura 1: El LAN8872 proporciona un transceptor PHY 1000BASE-T1 integrado, con un PCS, un regulador LDO, control de tensión, un AFE, un FSM, terminación en chip y filtrado integrado. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Gracias a la compatibilidad integrada con los estándares de protocolo de sincronización de reloj de precisión IEEE 1588-2019 e IEEE 802.1AS-2020, el LAN8872 es totalmente compatible con los estándares Audio Video Bridging (AVB) e IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) para redes Ethernet en tiempo real. Mientras que las funciones de temporización determinista del LAN8872 ayudan a los desarrolladores a mantener una estrecha sincronización entre varios sistemas, sus funciones de gestión de la energía responden a la necesidad de una conectividad sólida de bajo consumo incluso en entornos difíciles.

Simplificación del diseño de redes SPE de bajo consumo

El LAN8872 incorpora la tecnología de eficiencia energética EtherGREEN de Microchip, que permite al dispositivo consumir normalmente solo 15 microamperios (μA) en su modo de reposo de consumo ultrabajo. El dispositivo, compatible con los mecanismos de suspensión y activación remotas estándar del Comité Técnico 10 (TC10) de OPEN Alliance, puede reconocer solicitudes de suspensión y activarse en respuesta a pulsos WAKE_IN. Su salida INH permite al dispositivo activar o desactivar la alimentación de la unidad de control electrónico (ECU). Al estar integrada en el LAN8872, la tecnología de gestión de energía FlexPWR de Microchip proporciona un mayor ahorro de energía mediante tensiones variables de alimentación de E/S y del núcleo.

El alto nivel de integración del LAN8872 simplifica aún más el diseño. Junto con su amplia funcionalidad integrada, sus resistencias de terminación en chip y el filtrado de transmisión integrado se combinan para permitir soluciones con un tamaño compacto y bajas interferencias electromagnéticas (EMI). Para la integración a nivel de sistema, el LAN8872 cuenta con una salida de reloj de referencia y una interfaz estándar gigabit en serie independiente del medio (SGMII), lo que simplifica las interfaces con controladores de acceso al medio (MAC) Ethernet o dispositivos con capacidad MAC, incluidos sistemas en chip (SoC), unidades de microcontroladores (MCU) y matrices de puertas programables en campo (FPGA) (Figura 2).

Figura 2: Los desarrolladores solo necesitan unos pocos componentes adicionales para integrar el transceptor PHY LAN8872 en sus soluciones de red SPE. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Conforme a la norma IEEE 802.3bp-2016, el LAN8872 está diseñado para ofrecer un rendimiento gigabit a través de un único par de hilos, al tiempo que facilita la resolución de problemas en redes industriales y de automoción críticas. El dispositivo facilita el diagnóstico de la red con funciones como la detección de cortocircuitos o aperturas en los cables, un indicador de calidad de la señal del receptor (SQI), protección contra sobretemperatura, protección contra baja tensión, soporte completo de interrupción de estado y varios modos de bucle de retorno y prueba.

Aceleración del diseño de soluciones SPE basadas en LAN8872

Para acelerar el diseño y el desarrollo, Microchip ofrece placas de evaluación diseñadas para satisfacer los distintos requisitos de los desarrolladores. Para facilitar las pruebas y la validación del diseño a nivel de sistema, la placa de evaluación EV75E52A EVB-LAN8870-MC de Microchip (Figura 3) proporciona un convertidor de medios completo que sirve de puente entre 1000BASE-T1 y gigabit Ethernet estándar. Los desarrolladores solo tienen que conectar un cable Ethernet CAT5 desde su puerto GbE a la toma RJ-45 de la placa y conectar un único cable de par trenzado desde su red SPE al conector T1 automotriz Ethernet de la placa.

Figura 3: La placa de evaluación EVB-LAN8870-MC EV75E52A proporciona un convertidor de medios completo para probar diseños que conectan redes SPE con gigabit Ethernet. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Para los desarrolladores centrados en evaluar las capacidades PHY, la placa EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII de Microchip (Figura 4) proporciona un subsistema PHY completo con una interfaz PHY directa.

Figura 4: La tarjeta EVB-LAN8870-RGMII EV39G24A proporciona un subsistema PHY completo para la evaluación de PHY en diseños SPE. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

La tarjeta EVB-LAN8870-RGMII (Figura 5, izquierda) está diseñada para conectarse a través de su conector de interfaz PHY a las tarjetas de sistemas de desarrollo Ethernet (EDS) de Microchip, incluidas la EV88E76A EVB-LAN7801-EDS y la EVB-LAN7431-EDS (Figura 5, derecha).

Figura 5: Los desarrolladores pueden conectar la tarjeta PHY EVB-LAN8870-RGMII (izquierda) a tarjetas EDS como la EVB-LAN7431-EDS (derecha) para acceder a todos los registros PHY a través de controladores de host de desarrollo. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Los desarrolladores que trabajan con la tarjeta EVB-LAN8870-RGMII pueden acceder a todos los registros PHY a través de los controladores de la tarjeta EDS que se ejecutan en hosts Windows o Linux. Quienes trabajan con el EVB-LAN8870-MC pueden configurar y supervisar el rendimiento del transceptor a través de un paquete de software de interfaz gráfica de usuario (GUI) basado en Windows.

Para ayudar a acelerar el desarrollo de diseños SPE personalizados, Microchip proporciona esquemas de referencia y directrices de configuración completos, así como un amplio ecosistema de software para apoyar la integración de LAN8872. Hay controladores disponibles para las plataformas más populares, como Linux, FreeRTOS y AUTOSAR. El marco de desarrollo de software integrado MPLAB Harmony de Microchip incluye controladores integrados, bibliotecas de periféricos y soporte para Code Configurator que agiliza la configuración y las pruebas de los diseños LAN8872 PHY.

Además de estos recursos de desarrollo, el servicio gratuito de revisión de diseños MicroCHECK de Microchip ofrece asistencia directa para cada etapa de la implementación, desde el concepto hasta el diseño. Con el servicio MicroCHECK, los desarrolladores pueden enviar sus esquemas y diseños de circuitos impresos para que los revisen expertos y recibir información práctica sobre la integridad de la señal, la distribución de la energía y el cumplimiento de las prácticas de diseño recomendadas. Al utilizar el servicio MicroCHECK en las primeras fases del diseño, los desarrolladores pueden minimizar el riesgo de que surjan problemas de implementación relacionados con PHY más adelante en el proceso de producción.

En un flujo de trabajo de desarrollo típico, los desarrolladores comienzan evaluando las capacidades PHY en su diseño utilizando una de las placas de referencia de Microchip. Tras validar el rendimiento y el comportamiento del PHY en el entorno de destino, incorporan el PHY a un diseño personalizado utilizando esquemas de referencia y recomendaciones de diseño. Antes de comprometerse a construir un prototipo, someten su diseño a la revisión de MicroCHECK, lo que garantiza que su implementación es sólida y está lista para la producción.

Conclusión

A medida que Ethernet en tiempo real es cada vez más esencial en más aplicaciones industriales y de automoción, los desarrolladores se enfrentan a una presión creciente para implantar soluciones de red compactas, conformes con los estándares y de bajo consumo. Respaldada por amplios recursos y soporte experto para la revisión de proyectos, la PHY 1000BASE-T1 LAN8872 de Microchip ayuda a acelerar el desarrollo de los diseños necesarios para garantizar una conectividad SPE fiable y de alto rendimiento.