고속 실시간 이더넷 통신은 산업 자동화 및 자동차 시스템에서 시간에 민감한 애플리케이션에 점점 더 중요해지고 있습니다. 기존의 다중 쌍 이더넷은 불확실한 성능, 부피가 큰 케이블 하네스 및 높은 전력 소비로 인해 이러한 애플리케이션의 요구 사항을 충족하지 못하는 경우가 많습니다.
보다 효과적인 솔루션은 단순화된 물리 계층(PHY)을 제공할 수 있는 SPE(단일 쌍 이더넷) 표준을 사용하지만 긴 케이블 전송 거리 및 기능 안전 준비 측면에서 성능 문제는 물론 효과적인 설계 리소스 확보와 관련된 구현 문제를 야기할 수 있습니다. 엔지니어에게는 구현 속도를 가속화하면서 실시간 SPE 네트워크의 엄격한 성능 요구 사항을 충족할 수 있는 포괄적인 솔루션이 필요합니다.
이 기사에서는 특히 산업 및 자동차 분야에서 중요하고 시간에 민감한 애플리케이션 설계자가 직면한 네트워킹 요구 사항 및 관련 문제에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 이더넷 PHY 트랜시버, 평가 보드 및 관련 설계 리소스를 포함하는 Microchip Technology의 SPE 솔루션이 도입되었습니다. 이는 설계자가 표준 호환 SPE 네트워크 시스템을 구현하면서 직면하는 새로운 과제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.
주요 애플리케이션 요구 사항으로 인해 실시간 이더넷이 필요한 이유
실시간 이더넷은 많은 중요한 산업 및 자동차 애플리케이션에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 산업용 사물 인터넷(IIoT) 및 산업용 제어 시스템에서 센서, 컨트롤러 및 액추에이터 간의 고정밀 조정에는 결정론적 통신 네트워크를 지원하기 위해 IEEE 1588 PTP(정밀 시간 프로토콜)와 같은 프로토콜이 필요합니다. 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 인포테인먼트, 원격 정보 처리 하위 시스템을 포함한 자동차 애플리케이션에서 안정적인 실시간 데이터 교환을 위해서는 차량 환경의 극한 조건을 견딜 수 있는 능력이 필요합니다.
공장 작업장에서든 자동차에서든 시간에 민감한 네트워크는 낮고 제한된 대기 시간, 높은 내결함성 및 최소한의 지터를 보장해야 합니다. 장치 간 동기화를 유지하는 기능은 특히 시스템 작동 및 보안에 밀리초 응답 시간이 중요한 환경에서 매우 중요합니다. 동시에 네트워크 솔루션은 제조 장치나 차량 섀시의 네트워크 하위 시스템의 제한된 공간에 적응해야 합니다.
시간에 민감하고 공간이 제한된 네트워크 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는 방법
IEEE 802.3bw(100BASE-T1) 및 IEEE 802.3bp(1000BASE-T1) 표준에 따라 SPE는 산업 및 자동차 애플리케이션의 기가비트 이더넷(GbE)에 적합하며 기존 이더넷을 대체하는 단순화된 물리적 계층이 되었습니다. SPE는 케이블 복잡성과 시스템 비용을 줄이면서 시간에 민감한 애플리케이션에 대한 엄격한 요구 사항을 지원합니다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 SPE 기반 네트워크 설계자는 적절한 장치를 통합하고 기능적 보안 준비를 보장하는 데 여전히 어려움을 겪고 있습니다.
Microchip Technology의 LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY 트랜시버(그림 1) 및 관련 설계 리소스는 개발자가 표준 호환 SPE 네트워크를 구현할 때 이러한 새로운 과제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. LAN8872는 PCS(물리적 코딩 하위 계층), FSM(유한 상태 머신), AFE(아날로그 프런트 엔드), LDO(저드롭아웃) 조정기, 전압 모니터링, 온칩 종단 및 통합 필터링을 포함한 완전한 PHY 하위 시스템을 통합합니다.
Microchip LAN8872 통합 1000BASE-T1 PHY 트랜시버의 회로도(확대하려면 클릭)
그림 1: LAN8872는 PCS, LDO 조정기, 전압 모니터링 AFE, FSM, 온칩 터미널 및 통합 필터링과 같은 완전한 기능을 포함하는 통합 1000BASE-T1 PHY 트랜시버를 제공합니다. (이미지 출처: 마이크로칩테크놀로지)
LAN8872는 IEEE 1588-2019 및 IEEE 802.1AS-2020 정밀 클록 동기화 프로토콜 표준을 기본적으로 지원하며 실시간 이더넷 오디오 및 비디오 브리징(AVB) 및 IEEE 802.1 시간 감지 네트워크(TSN) 표준과 완벽하게 호환됩니다. LAN8872의 결정론적 타이밍 기능은 개발자가 여러 시스템 간의 긴밀한 동기화를 유지하는 데 도움이 될 수 있으며, 에너지 관리 기능은 열악한 환경에서도 강력한 저전력 연결에 대한 사람들의 요구를 충족할 수 있습니다.
저전력 SPE 네트워크 설계 단순화
LAN8872는 Microchip의 EtherGREEN 에너지 절약 기술을 채택하여 장치가 초저전력 절전 모드에서 단 15μA의 일반적인 소비량을 달성할 수 있도록 합니다. 이 장치는 OPEN Alliance Technical Committee 10(TC10) 표준의 원격 절전 및 깨우기 메커니즘을 지원하며 절전 요청을 인식하고 WAKE-IN 펄스 깨우기에 응답할 수 있습니다. INH 출력을 통해 장치는 전자 제어 장치(ECU) 전원 공급 장치를 활성화하거나 비활성화할 수 있습니다. LAN8872에는 Microchip의 FlexPWR 전력 관리 기술이 탑재되어 있어 가변 I/O 및 코어 전원 전압을 통해 에너지를 더욱 절약할 수 있습니다.
LAN8872의 높은 통합으로 인해 설계가 더욱 단순화됩니다. 광범위한 통합 기능 외에도 온칩 종단 저항기와 통합 전송 필터링 기능이 결합되어 솔루션의 크기가 작고 전자기 간섭(EMI)이 낮아집니다. 시스템 수준 통합을 위해 LAN8872에는 참조 클록 출력과 표준 직렬 기가비트 미디어 독립 인터페이스(SGMII)가 있어 이더넷 MAC(미디어 액세스 컨트롤러) 또는 SoC(시스템 온 칩), MCU(마이크로 컨트롤러), FPGA(필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이)를 비롯한 MAC 기능이 있는 장치와의 인터페이스를 단순화합니다(그림 2).
Microchip ATA8520D Sigfox 트랜시버 회로도
그림 2: 개발자는 LAN8872 PHY 송수신기를 SPE 네트워크 솔루션에 통합하기 위해 몇 가지 추가 구성 요소만 필요합니다. (이미지 출처: 마이크로칩테크놀로지)
LAN8872는 IEEE 802.3bp-2016 표준을 준수하며 단일 전선 쌍을 통해 기가비트 성능을 제공하는 동시에 중요한 산업 및 자동차 네트워크의 문제 해결을 지원하도록 설계되었습니다. 이 장치는 네트워크 진단에 유용하며 해당 기능에는 단락 또는 개방 회로 케이블 결함 감지, 수신기 신호 품질 표시기(SQI), 과열 보호, 저전압 보호, 전체 상태 인터럽트 지원, 다양한 루프백 및 테스트 모드가 포함됩니다.
LAN8872 기반 SPE 솔루션 설계 가속화
설계 및 개발을 가속화하기 위해 Microchip은 다양한 개발자의 요구 사항을 충족하는 평가 보드를 제공합니다. 시스템 수준 설계 테스트 및 검증의 편의를 위해 Microchip의 EV75E52A EVB-LAN8870-MC 평가 기판(그림 3)은 1000BASE-T1과 표준 기가비트 이더넷을 연결할 수 있는 완전한 미디어 변환기를 제공합니다. 개발자는 GbE 포트의 CAT5 이더넷 케이블을 회로 기판의 RJ-45 인터페이스에 연결한 다음 SPE 네트워크의 연선 케이블을 회로 기판의 T1 자동차 이더넷 인터페이스에 연결하기만 하면 됩니다.