Auteurs : Maurice O'Brien, directeur du marketing stratégique, et Volker E. Goller, ingénieur d'application des systèmes.

Introduction

Cet article explique comment se connecter à un plus grand nombre de dispositifs de périphérie ou d'instrumentation à faible consommation d'énergie avec le MAC-PHY Ethernet à paire unique (10BASE-T1L). En outre, il détaille quand utiliser uniquement la couche physique par rapport à MAC-PHY et comment ces systèmes répondent aux exigences des installations de construction et de fabrication d'aujourd'hui et de demain.

fond

Les cas d'utilisation de l'Ethernet à paire unique 10BASE-T1L, y compris Ethernet-APL, continuent de se développer dans diverses applications telles que l'automatisation des processus, des usines et des bâtiments, motivée par la nécessité de connecter de plus en plus d'appareils aux réseaux Ethernet. La connexion d'un plus grand nombre d'appareils permet aux systèmes de gestion de niveau supérieur de disposer de jeux de données plus complets et plus riches, ce qui implique des gains de productivité considérables ainsi qu'une réduction des coûts d'exploitation et, par conséquent, de la consommation.

La vision d'Ethernet pour les périphériques de périphérie ou d'instrumentation est de connecter tous les capteurs et actionneurs possibles à un réseau IT/OT convergé. Pour y parvenir, des défis d'ingénierie des systèmes doivent être surmontés, car nombre de ces capteurs ont des restrictions de consommation ou de taille. En ce sens, il existe un large portefeuille de microcontrôleurs basse et ultra basse consommation avec une capacité de mémoire suffisante pour les applications de capteurs et d'actionneurs. Cependant, la plupart ont une caractéristique en commun : en n'ayant pas la couche MAC intégrée, ils ne prennent pas en charge les interfaces indépendantes du support telles que MII, RMII ou RGMII. Et, par conséquent, ils ne peuvent pas être connectés aux couches physiques traditionnelles (PHY).

Pourquoi utiliser un MAC-PHY pour 10BASE-T1L

Dans le but de fournir une connectivité Ethernet longue distance à un plus grand nombre d'appareils à faible consommation, il est nécessaire d'utiliser un MAC-PHY 10BASE-T1L. Avec le MAC-PHY, l'appareil est doté d'une connectivité Ethernet via un SPI, réduisant ainsi la surcharge du processeur puisqu'il n'a pas le MAC intégré. De cette manière, les concepteurs disposent d'une plus grande flexibilité lors de la sélection de processeurs à faible consommation.

En optimisant cette partition, le MAC-PHY 10BASE-T1L permet d'implémenter des dispositifs basse consommation pour la zone 0 (sécurité intrinsèque) via ce que l'on appelle dans l'industrie de process Ethernet-APL. La même chose se produit dans les applications de construction intelligentes, où le MAC-PHY permet d'ajouter un plus grand nombre d'appareils connectés via Ethernet dans des applications telles que HVAC, systèmes d'incendie, contrôle d'accès, caméras IP, ascenseurs ou CMS.

Filtrage de paquets avancé

L'intégration du MAC avec la couche physique ajoute de nouvelles capacités pour optimiser le trafic au sein du réseau Ethernet. Un MAC-PHY avec filtrage de paquets avancé. Ce filtrage permet de réduire le surcoût de traitement des messages boardcast et multicast, libérant le processeur de cette tâche.

Le filtrage par l'adresse MAC de destination est essentiel. Cependant, au lieu d'utiliser une seule adresse MAC, un MAC-PHY peut effectuer un filtrage à l'aide d'une liste de 16 adresses monodiffusion ou multidiffusion, offrant une grande liberté de filtrage à la fois par périphérique et par adresses multidiffusion telles que LLDP (Link Layer Discovery). Protocole). De plus, il est possible de hiérarchiser certains messages, améliorant ainsi la latence et la robustesse de la communication, puisque vous pouvez utiliser une file d'attente supplémentaire pour les hautes priorités. La priorité de trame peut être identifiée par la table de filtrage MAC. Par exemple, vous pouvez classer les messages diffusés en faible priorité et conserver les monodiffusions en priorité élevée pour éviter que le récepteur ne soit surchargé par un pic de trafic de diffusion. Grâce à ces caractéristiques, le MAC-PHY est idéal pour les appareils robustes face à la charge du réseau. Des statistiques de trame sont également collectées pour faciliter la surveillance du trafic et de la qualité de la liaison (voir Figure 1).

La couche MAC prend également en charge la norme IEEE 1588, et donc la synchronisation temporelle 802.1AS requise dans l'automatisation des processus. Le MAC-PHY prend en charge un compteur synchronisé, un horodatage sur les messages reçus et une capture d'horodatage pour les messages transmis - réduisant ainsi la complexité de la conception logicielle puisqu'aucun support matériel n'est nécessaire pour implémenter la synchronisation. La couche MAC peut générer une forme d'onde contre-synchronisée qui peut être utilisée pour synchroniser des opérations externes au niveau de l'application. En plus de tout cela, l'interface SPI prend en charge l'interface série Open Alliance 10BASE-T1x pour MAC-PHY - un nouveau protocole SPI très robuste conçu spécifiquement pour une utilisation dans les MAC-PHY.

Quand utiliser uniquement la couche physique, ou également le MAC

Le PHY 10BASE-T1L et le MAC-PHY 10BASE-T1L présentent des avantages significatifs dans différents cas d'utilisation. Dans le cas d'applications où l'autonomie est critique, il a déjà été commenté que MAC-PHY présente de plus grands avantages car il augmente la flexibilité lors du choix d'un processeur basse consommation, sans qu'il soit nécessaire d'intégrer la couche MAC. De plus, lorsque vous avez besoin d'améliorer un appareil en ajoutant une connectivité Ethernet, le MAC-PHY 10BASE-T1L vous permet de réutiliser le processeur, et donc la conception existante, simplement en ajoutant une connectivité avec un port SPI. De cette façon, vous évitez d'avoir à prendre un processeur plus gros avec un MAC intégré.

Cependant, pour les applications où les appareils nécessitent une charge de traitement élevée, il est préférable de sélectionner un processeur hautes performances avec MAC intégré, facilitant l'intégration avec un PHY 10BASE-T1L avec des interfaces telles que MII, RMII ou RGMII. Dans ce cas, les pilotes MAC existants seraient réutilisés (voir Figure 2)

Figure 2. Comparaison des avantages du MAC-PHY par rapport au PHY pour la connectivité 10BASE-T1L.

Flexibilité accrue pour les usines de traitement connectées à Ethernet du futur

Avec la disponibilité de la PHY (ADIN1100) et de la MAC_PHY (ADIN1110) de 10BASE-T1L, les concepteurs disposent désormais d'une plus grande flexibilité pour répondre aux exigences des installations de traitement de demain. Les appareils basse consommation et hautes performances peuvent être déployés sur le même réseau Ethernet, tout en respectant les exigences strictes de limitation de puissance dans les environnements à risque. Afin de fournir l'alimentation et les données sur une seule paire de fils, les commutateurs d'alimentation et de données 10BASE-T1L ont besoin de PHY robustes et à faible consommation pour pouvoir déployer des topologies de réseau Ethernet industriel arborescent (tronc et dérivation), y compris des applications dans des zones à haut risque.

Les appareils de terrain ont besoin des deux (10BASE-T1L PHY et MAC-PHY) pour fournir une connectivité Ethernet à une large gamme d'appareils. Les appareils de terrain à consommation plus élevée, y compris les débitmètres, utiliseront un processeur haute performance avec MAC intégré et le PHY 10BASE-T1L. Au contraire, les appareils de terrain à faible consommation, tels que les capteurs de température, utiliseront un processeur à très faible consommation sans MAC intégré et auront donc besoin d'un MAC-PHY 10BASE-T1L pour fournir une connectivité Ethernet à l'appareil via une interface SPI (voir Figure 3 ).

Comparaison des principales caractéristiques du PHY 10BASE-T1L et du MAC-PHY 10BASE-T1L

L'ADIN1110, le MAC-PHY 10BASE-T1L d'ADI, permet de fournir une connectivité Ethernet à un processeur via une interface SPI avec seulement 41 mW de consommation. De plus, il prend en charge l'interface série Open Alliance 10BASE-T1x, une interface SPI en duplex intégral à une fréquence d'horloge de 25 MHz. L'ADIN1100, le PHY 10BASE-T1L d'ADI, permet une connectivité à faible puissance via des interfaces MAC telles que MII, RMII et RGMII avec une consommation de seulement 39 mW - voir le tableau 1 pour la comparaison entre le PHY et le MAC-PHY.

Les deux produits sont basés sur les capacités de 10BASE-T1L - communication point à point équilibrée en duplex intégral avec modulation PAM 3 avec un débit de symboles de 7.5 MBd avec codage 4B3T. 10BASE-T1L prend en charge deux modes d'amplitude : 2.4 V crête-crête jusqu'à 1 km de câble et 1.0 V crête-crête pour les distances plus courtes. Ce dernier mode peut être utilisé dans des environnements antidéflagrants et répond à des restrictions de puissance maximale strictes.

Tableau 1. Comparaison entre ADIN1100 PHY et ADIN1110 MAC-PHY

Figure 3. Topologie arborescente pour l'automatisation des processus avec PHY 10BASE-T1L et MAC-PHY 10BASE-T1L.

Résumé

Une couche physique Ethernet de 10Mb associée à une alimentation électrique à 2 fils (PoDL/SPoE), à une distance de 1 km, permet le développement de nouveaux appareils connectés à Ethernet qui génèrent des informations à haute valeur ajoutée et sont accessibles via un réseau de convergence informatique. /OT . Ces nouvelles possibilités permettront une plus grande productivité et une réduction de la consommation d'énergie dans les applications d'automatisation d'usine et de processus ; et dans les applications d'automatisation des bâtiments, ils permettront des niveaux plus élevés d'efficacité énergétique ainsi que de sécurité et de confort. Et par conséquent, le MAC-PHY 10BASE-T1L accélérera la disponibilité des appareils basse consommation pour ces applications.

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