La communication Ethernet en temps réel et à haut débit devient de plus en plus importante pour les applications sensibles au temps dans les systèmes d'automatisation industrielle et automobiles. L'Ethernet multipaire traditionnel ne parvient souvent pas à répondre aux exigences de telles applications en raison de ses performances incertaines, de ses faisceaux de câbles encombrants et de sa consommation d'énergie élevée.
Une solution plus efficace repose sur la norme Single Pair Ethernet (SPE), qui peut fournir une couche physique simplifiée (PHY), mais peut poser des problèmes de performances en termes de longue distance de transmission par câble et de préparation à la sécurité fonctionnelle, ainsi que des défis de mise en œuvre liés à l'obtention de ressources de conception efficaces. Les ingénieurs ont besoin d'une solution complète capable de répondre aux exigences strictes de performances des réseaux SPE en temps réel tout en accélérant la vitesse de mise en œuvre.
Cet article décrit les exigences de mise en réseau et les problèmes associés auxquels sont confrontés les concepteurs d'applications critiques et sensibles au temps, en particulier dans les domaines industriel et automobile. Ensuite, la solution SPE de Microchip Technology a été introduite, comprenant des émetteurs-récepteurs Ethernet PHY, des cartes d'évaluation et des ressources de conception associées, qui peuvent aider les concepteurs à relever les nouveaux défis rencontrés dans la mise en œuvre de systèmes de réseau SPE conformes aux normes.
Comment les principales exigences des applications déterminent le besoin d'Ethernet en temps réel
L'Ethernet en temps réel joue un rôle de plus en plus important dans de nombreuses applications industrielles et automobiles critiques. Dans l'Internet industriel des objets (IIoT) et les systèmes de contrôle industriels, la coordination de haute précision entre les capteurs, les contrôleurs et les actionneurs nécessite des protocoles tels que le protocole PTP (Precision Time Protocol) IEEE 1588 pour prendre en charge les réseaux de communication déterministes. Dans les applications automobiles, notamment les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS), les sous-systèmes d'infodivertissement et de traitement de l'information à distance, un échange de données fiable en temps réel nécessite la capacité de résister aux conditions extrêmes de l'environnement du véhicule.
Que ce soit dans l'atelier d'usine ou dans la voiture, les réseaux sensibles au temps doivent garantir une latence faible et limitée, une tolérance aux pannes élevée et une gigue minimale. La capacité à maintenir la synchronisation entre les appareils est cruciale, en particulier dans les environnements où le temps de réponse en millisecondes est critique pour le fonctionnement et la sécurité du système. Dans le même temps, les solutions réseau doivent s'adapter à l'espace limité des sous-systèmes réseau dans les unités de fabrication ou dans les châssis des véhicules.
Comment répondre aux exigences des applications de réseaux sensibles au temps et à l'espace limité
Selon les normes IEEE 802.3bw (100BASE-T1) et IEEE 802.3bp (1000BASE-T1), SPE convient au Gigabit Ethernet (GbE) dans les applications industrielles et automobiles et est devenu une alternative simplifiée à la couche physique à l'Ethernet traditionnel. SPE prend en charge des exigences strictes pour les applications sensibles au temps tout en réduisant la complexité des câbles et les coûts du système. 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 SPE PHY LAN8872 1000BASE-T1 de Microchip Technology (Figure 1) et les ressources de conception associées peuvent aider les développeurs à relever ces défis émergents lors de la mise en œuvre de réseaux SPE conformes aux normes. LAN8872 intègre un sous-système PHY complet, comprenant une sous-couche de codage physique (PCS), une machine à états finis (FSM), un frontal analogique (AFE), un régulateur à faible chute (LDO), une surveillance de tension, une terminaison sur puce et un filtrage intégré.
Diagramme schématique de l'émetteur-récepteur PHY 1000BASE-T1 intégré Microchip LAN8872 (cliquez pour agrandir)
Figure 1 : LAN8872 fournit un émetteur-récepteur PHY 1000BASE-T1 intégré, comprenant PCS, régulateur LDO, surveillance de tension AFE, FSM, fonctions complètes telles que des terminaux sur puce et un filtrage intégré. (Source de l'image : Technologie Microchip)
LAN8872 prend en charge les normes de protocole de synchronisation d'horloge de précision IEEE 1588-2019 et IEEE 802.1AS-2020, et est entièrement compatible avec les normes de pont audio et vidéo Ethernet (AVB) en temps réel et de réseau sensible au temps (TSN) IEEE 802.1. La fonction de synchronisation déterministe du LAN8872 peut aider les développeurs à maintenir une synchronisation étroite entre plusieurs systèmes, et sa fonction de gestion de l'énergie peut répondre à la demande des utilisateurs en matière de connexions robustes à faible consommation, même dans des environnements difficiles.
Simplifiez la conception des réseaux SPE basse consommation
Le LAN8872 adopte la technologie d'économie d'énergie EtherGREEN de Microchip, qui permet à l'appareil d'atteindre une consommation typique de seulement 15 microampères (μ A) en mode veille à très faible consommation. Cet appareil prend en charge le mécanisme de mise en veille et de réveil à distance de la norme OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10), et peut reconnaître les demandes de sommeil et répondre au réveil par impulsion WAKE-IN. Sa sortie INH permet à l'appareil d'activer ou de désactiver l'alimentation de l'unité de commande électronique (ECU). Le LAN8872 est équipé de la technologie de gestion de l'alimentation FlexPWR de Microchip, qui permet d'économiser davantage d'énergie grâce aux E/S variables et à la tension d'alimentation principale.
La haute intégration du LAN8872 simplifie encore la conception. En plus de ses fonctions d'intégration étendues, la combinaison de résistances terminales sur puce et de capacités de filtrage de transmission intégrées rend la solution compacte et faible en interférences électromagnétiques (EMI). Pour l'intégration au niveau du système, le LAN8872 dispose d'une sortie d'horloge de référence et d'une interface série Gigabit indépendante du support (SGMII), simplifiant l'interface avec les contrôleurs d'accès au support Ethernet (MAC) ou les dispositifs dotés de fonctionnalités MAC, notamment les systèmes sur puce (SoC), les microcontrôleurs (MCU) et les réseaux prédiffusés programmables sur site (FPGA) (Figure 2).
Schéma schématique de l'émetteur-récepteur Sigfox Microchip ATA8520D
Figure 2 : Les développeurs n'ont besoin que de quelques composants supplémentaires pour intégrer l'émetteur-récepteur PHY LAN8872 dans leur solution réseau SPE. (Source de l'image : Technologie Microchip)
LAN8872 est conforme à la norme IEEE 802.3bp-2016 et est conçu pour fournir des performances Gigabit via une seule paire de fils tout en prenant en charge le dépannage dans les réseaux industriels et automobiles critiques. Cet appareil est utile pour le diagnostic du réseau et ses fonctionnalités incluent la détection des courts-circuits ou des défauts de câble en circuit ouvert, l'indicateur de qualité du signal du récepteur (SQI), la protection contre la surchauffe, la protection contre les sous-tensions, la prise en charge complète des interruptions d'état et divers modes de bouclage et de test.