시간 민감형 중요 응용 분야를 위한 단일 쌍 이더넷 네트워킹의 구현 간소화

고속 실시간 이더넷 통신은 산업 자동화 및 자동차 시스템의 시간 민감형 응용 제품에서 점점 더 필수 요소로 자리잡고 있습니다. 이러한 유형의 응용 제품에 대한 요구 사항을 처리하기 위해 기존의 다중 쌍 이더넷을 사용하면 비결정적 성능, 부피가 큰 케이블 하네스, 증가된 전력 소비로 인해 실패하는 경우가 많습니다.

보다 효과적인 솔루션은 간소화된 물리층(PHY)을 제공하는 단일 쌍 이더넷(SPE) 표준을 기반으로 하지만 확장된 케이블 도달 범위와 기능 안전 준비에 대한 성능 과제는 물론 효율적인 설계 리소스의 가용성과 연관된 구현 과제를 야기할 수 있습니다. 엔지니어는 실시간 SPE 네트워킹을 위한 엄격한 성능 요구 사항을 충족하면서 구현을 가속화하는 포괄적인 솔루션이 필요합니다.

이 기사에서는 특히 산업 및 자동차 분야에서 시간 민감형 중요 응용 제품의 설계자가 마주하는 네트워킹 요구 사항 및 기타 관련 문제를 간략히 알아봅니다. 그런 다음 설계자가 표준을 준수하는 SPE 네트워킹 시스템을 구현하는 과정에서 발생하는 과제를 해결하도록 지원하는 이더넷 PHY 트랜시버, 평가 기판 및 관련 설계 리소스를 포함한, Microchip Technology의 SPE 솔루션을 소개합니다.

실시간 이더넷의 수요를 이끄는 중요 응용 제품 요구 사항

여러 중요 산업 및 자동차 응용 분야에서 실시간 이더넷의 역할이 점점 더 커지고 있습니다. 산업용 산업 인터넷(IIoT)과 산업용 제어 시스템에서 센서, 컨트롤러, 액추에이터 간에 고정밀 조정을 수행하려면 IEEE 1588 정밀 시간 프로토콜(PTP)과 같은 프로토콜로 지원되는 결정론적 통신 네트워크가 필요합니다. 고급 운전자 지원 시스템(ADAS), 인포테인먼트, 텔레메틱스 서브시스템을 비롯한 자동차 응용 분야에서 실시간 데이터를 안정적으로 교환하려면 차량 환경의 극한 조건을 견딜 수 있어야 합니다.

공장 현장이든 차량 내부이든, 시간 민감형 네트워크는 낮고 제한된 지연 시간, 높은 고장 허용 범위, 최소한의 지터를 보장해야 합니다. 특히 시스템 작동 및 안전을 위해 밀리초 단위의 응답 시간이 중요한 환경에서는 장치에 걸쳐 동기화를 유지하는 것이 필수입니다. 동시에, 네트워킹 솔루션은 제조 셀 또는 차량 섀시의 네트워크 서브시스템에 사용할 수 있는 제한된 공간을 수용해야 합니다.

시간에 민감하고 공간적 제약이 있는 응용 제품의 네트워킹 요구 사항을 충족하는 방법

산업 및 자동차 응용 분야의 기가비트 이더넷(GbE)을 위한 IEEE 802.3bw(100BASE-T1) 및 IEEE 802.3bp(1000BASE-T1) 표준에 따라 규제되는 SPE는 기존 이더넷에 대한 간소화된 PHY 대안으로 부상하고 있습니다. SPE는 시간 민감형 응용 제품의 엄격한 요구 사항을 지원하면서 케이블 복잡성과 시스템 비용을 줄여줍니다. 그러나, 이러한 이점에도 불구하고 SPE 기반 네트워크 설계자는 여전히 적절한 장치를 통합하고 기능 안전 준비를 보장하는 과정에서 문제와 마주합니다.

Microchip Technology의 LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY 트랜시버(그림 1)와 관련 설계 리소스는 개발자가 표준을 준수하는 SPE 네트워킹을 구현할 때 이러한 새로운 과제를 해결할 수 있도록 지원합니다. LAN8872는 물리적 코딩 하위 계층(PCS), 유한 상태 기계(FSM), 아날로그 프런트 엔드(AFE), 저드롭아웃(LDO) 조정기, 전압 모니터링, 온칩 종단, 통합 필터링을 비롯한 완전한 PHY 서브시스템을 통합합니다.

그림 1: LAN8872는 PCS, LDO 조정기, 전압 모니터링, AFE, FSM, 온칩 종단, 통합 필터링이 포함된 통합 1000BASE-T1 PHY 트랜시버를 제공합니다(이미지 출처: Microchip Technology).

IEEE 1588-2019 및 IEEE 802.1AS-2020 정밀 클록 동기화 프로토콜 표준을 기본적으로 지원하는 LAN8872는 실시간 이더넷 네트워크를 위한 오디오 비디오 브리징(AVB) 및 IEEE 802.1 시간 민감 네트워킹(TSN) 표준과 완전히 호환됩니다. LAN8872의 결정론적 타이밍 기능은 개발자가 여러 시스템 간에 긴밀한 동기화를 유지하도록 하고, 에너지 관리 기능은 열악한 환경에서도 견고한 저전력 연결을 보장합니다.

저전력 SPE 네트워크의 설계 간소화

LAN8872는 Microchip의 EtherGREEN 에너지 효율적 기술을 통합하여, 초저전력 절전 모드에서 장치가 일반적으로 15μA(마이크로 암페어)에 불과한 전류만 소모하도록 합니다. OPEN Alliance Technical Committee 10(TC10) 표준 원격 절전 및 절전 해제 메커니즘을 지원하는 이 장치는 절전 요청을 인식하고 WAKE_IN 펄스에 대한 응답으로 절전 해제될 수 있습니다. INH 출력을 통해 장치는 전자 제어 장치(ECU) 공급을 활성화하거나 비활성화할 수 있습니다. LAN8872에 내장된 Microchip의 FlexPWR 전력 관리 기술은 가변 I/O 및 코어 전원 공급 장치 전압을 통해 에너지를 더욱 절감합니다.

LAN8872의 고수준 통합은 설계를 더욱 간소화합니다. LAN8872의 포괄적인 통합 기능과 함께, 온칩 종단 저항기와 통합된 전송 필터링이 통합되어 있어 콤팩트한 실장 면적과 낮은 전자기 간섭(EMI)의 솔루션을 실현할 수 있습니다. 시스템 수준의 통합을 위해 LAN8872는 레퍼런스 클록 출력 및 표준 직렬 기가비트 미디어 독립적 인터페이스(SGMII)를 제공하여 이더넷 미디어 액세스 컨트롤러(MAC) 또는 MAC 지원 장치(예: 시스템 온칩(SoC), 마이크로 컨트롤러 장치(MCU), 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA))와의 인터페이스를 간소화합니다(그림 2).

그림 2: 개발자는 단 몇 개의 부품만 추가하면 자신의 SPE 네트워킹 솔루션에LAN8872 PHY 트랜시버를 통합할 수 있습니다(이미지 출처: Microchip Technology).

IEEE 802.3bp-2016을 준수하는 LAN8872는 단일 전선 쌍에 기가비트 성능을 제공하면서 중요 산업용 및 자동차용 네트워크에서의 문제 해결을 지원하도록 설계되었습니다. 이 장치는 단락 또는 단선 케이블 결함 감지, 수신기 신호 품질 표시기(SQI), 과온 보호, 부족 전압 보호, 포괄적인 상태 인터럽트 지원, 다양한 루프백 및 테스트 모드를 비롯한 기능을 통해 네트워크 진단을 지원합니다.

LAN8872 기반 SPE 솔루션 설계의 가속화

설계 및 개발을 가속화하기 위해 Microchip은 다양한 개발자 요구 사항을 충족하도록 구축된 평가 기판을 제공합니다. 시스템 수준의 설계 테스트와 검증을 용이하게 하기 위해, Microchip의 EV75E52A EVB-LAN8870-MC 평가 기판(그림 3)은 1000BASE-T1과 표준 기가비트 이더넷을 연결하는 완전한 미디어 컨버터를 제공합니다. 개발자는 GbE 포트의 CAT5 이더넷 케이블을 기판의 RJ-45 잭에 연결하고, SPE 네트워크의 단일 꼬임쌍 케이블을 기판의 T1 자동차용 이더넷 커넥터에 연결하기만 하면 됩니다.

그림 3: EV75E52A EVB-LAN8870-MC 평가 기판은 기가비트 이더넷을 통해 SPE 네트워크를 연결하는 설계를 테스트하기 위한 완전한 미디어 컨버터를 제공합니다(이미지 출처: Microchip Technology).

PHY 기능 평가에 중점을 둔 개발자를 위해, Microchip의 EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII 기판(그림 4)은 직접 PHY 인터페이스를 갖춘 완전한 PHY 서브시스템을 제공합니다.

그림 4: EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII 기판은 SPE 설계에서 PHY 평가를 위한 완전한 PHY 서브시스템을 제공합니다(이미지 출처: Microchip Technology).

EVB-LAN8870-RGMII 기판(그림 5, 왼쪽)은 PHY 인터페이스 커넥터를 통해 EV88E76A EVB-LAN7801-EDS 및 EVB-LAN7431-EDS(그림 5, 오른쪽)를 비롯한 Microchip 이더넷 개발 시스템(EDS) 기판에 연결하도록 설계되었습니다.

그림 5: 개발자는 EVB-LAN8870-RGMII PHY 기판(왼쪽)을 EDS 기판(예: EVB-LAN7431-EDS(오른쪽))에 연결하여 개발 호스트 드라이버를 통해 모든 PHY 레지스터에 액세스할 수 있습니다(이미지 출처: Microchip Technology).

EVB-LAN8870-RGMII 기판을 사용하는 개발자는 Windows 또는 Linux 호스트에서 실행되는 EDS 기판 드라이버를 통해 모든 PHY 레지스터에 액세스할 수 있습니다. EVB-LAN8870-MC를 사용하는 경우 Windows 기반 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 소프트웨어 패키지를 통해 트랜시버 성능을 구성하고 모니터링할 수 있습니다.

맞춤형 SPE 설계 개발을 가속화할 수 있도록, Microchip은 포괄적인 레퍼런스 회로도와 구성 지침 뿐만 아니라, LAN8872 통합을 지원하는 광범위한 소프트웨어 에코시스템을 제공합니다. Linux, FreeRTOS, AUTOSAR를 포함하여 널리 사용되는 플랫폼용 드라이버가 제공됩니다. Microchip의 MPLAB Harmony 임베디드 소프트웨어 개발 프레임워크는 통합 드라이버, 주변 장치 라이브러리, Code Configurator 지원을 포함하여 LAN8872 PHY 설계의 구성 및 테스트를 간소화할 수 있습니다.

이러한 개발 리소스 이외에도, Microchip의 무료 MicroCHECK 설계 검토 서비스는 개념부터 레이아웃까지 구현하는 각 단계에 대한 직접적인 지원을 제공합니다. MicroCHECK 서비스를 통해 설계자는 전문가 검토를 위해 자신의 회로도 및 인쇄 회로 기판(pc 기판) 레이아웃을 제출하고 신호 무결성, 전력 배분, 권장되는 설계 사례 준수 여부에 대한 실행 가능한 피드백을 받을 수 있습니다. 초기 설계 단계에서 MicroCHECK 서비스를 사용하면 개발자는 생산 공정에서 나중에 나타나는 PHY 관련 구현 문제 위험을 최소화할 수 있습니다.

일반적인 개발 워크플로에서, 개발자는 Microchip의 레퍼런스 기판 중 하나를 사용하여 자신의 설계에서 PHY 기능을 평가하는 것으로 시작합니다. 그런 다음, 대상 환경에서 PHY 성능 및 동작을 검증한 후 레퍼런스 회로도 및 레이아웃 권장 사항을 사용하여 맞춤형 설계에 PHY를 통합합니다. 마지막으로, 시제품 제작을 시작하기 전에 MicroCHECK 검토를 위해 설계를 제출하여 구현이 견고하고 생산 준비가 되었음을 보장합니다.

결론

실시간 이더넷이 더 많은 산업 및 자동차 응용 분야에서 필수 요건이 되어감에 따라, 개발자는 콤팩트하고 표준을 준수하는 저전력 네트워킹 솔루션을 구현해야 한다는 점점 더 큰 압박에 직면하고 있습니다. 포괄적인 리소스 및 전문가의 프로젝트 검토 지원으로 뒷받침되는 Microchip의 LAN8872 1000BASE-T1 PHY는 신뢰할 수 있는 고성능 SPE 연결을 보장하는 데 필요한 설계 개발을 가속화하는 데 도움이 됩니다.