ИС физического уровня 10/100/1000 Мбит/с промышленного двухканального Ethernet с низким энергопотреблением

9 сентября 2021

Микросхема физического уровня Ethernet с двумя каналами ADIN1300 производства Analog Devices идеальна для организации на производстве мониторинга, контроля и построения распределенных систем управления. Статья посвящена тестированию отладочной платы EVAL-CN0506-FMCZ данной микросхемы и организации передачи данных с ее помощью.

Функции и преимущества схемы

Схема, показанная на рисунке 1, представляет собой двухканальную сетевую карту c микросхемой физического уровня Ethernet с низким энергопотреблением и малыми значениями задержек. Устройство поддерживает скорости передачи данных 10/100/1000 Мбит/с в условиях промышленного Ethernet с использованием линейной или кольцевой топологии.

Наличие двух каналов позволяет организовать кольцевую и линейную топологии сети, широко применяемые для промышленного мониторинга, контроля и в распределенных системах управления. Микросхема Ethernet PHY ADIN1300 была тщательно протестирована на электромагнитную совместимость (EMC) и устойчивость при электростатическом разряде (ESD). Она поддерживает автоматическое согласование для обеспечения связи с удаленными ИС физического уровня (PHY) на наивысшей общей объявленной скорости. ИС физического уровня имеет функцию присвоения временных меток согласно IEEE 1588, что позволяет повысить точность синхронизации в приложениях реального времени и улучшить обнаружение потери соединения для приложений с резервированием и приложений реального времени.

Схема состоит из двух отдельных, независимых 10/100/1000 Мбит/с ИС физического уровня (PHY), в основе которых лежит энергоэффективное ядро физического уровня Ethernet (EEE) со всеми необходимыми аналоговыми линиями связи, буферизацией входных и выходных тактовых сигналов, интерфейсом управления, регистрами подсистемы, интерфейсом управления доступом к среде (MAC) и управляющей логикой.

Устройство питается от отладочной мезонинной платы (FMC) с программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС или FPGA), что устраняет необходимость во внешнем источнике питания. Программируемые тактовые генераторы позволяют работать в режиме независимого от среды передачи интерфейса (MII), сокращенного MII (RMII) и сокращенного гигабитного MII (RGMII) MAC-интерфейса. Порты RJ45 со встроенными электромагнитными элементами позволяют минимизировать общие габариты устройства.

Данное решение допускает рабочую длину кабеля до 150 метров на гигабитной скорости и до 180 метров на скорости 100 Мбит/с или 10 Мбит/с. Такое решение обычно используется при кольцевой или линейной топологии. Функция автоматического согласования ADIN1300 позволяет подключаться к другим устройствам PHY на максимальной поддерживаемой скорости.

Рис. 1. Упрощенная блок-схема EVAL-CN0506-FMCZ (все соединения и обвязка не показаны)

Описание схемы

Ethernet

Ethernet – это наиболее распространенная технология пакетной передачи данных для приложений в локальной сети (LAN). Более подробно технология описана в подразделах и спецификациях стандартов 802.3 Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE).

Существуют разные скорости и среды передачи, используемые в рамках Ethernet. Однако, основное внимание в пояснении к схеме уделяется стандартам передачи 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T по витой паре категории 5e (CAT5e) или категории 6 (CAT6) с прямым или перекрестным соединением.

Линейная и кольцевая топологии сети

Типовые промышленные сети Ethernet организуют в виде линейной или кольцевой топологии. Линейная и кольцевая топологии сети требуют меньшей длины кабельных соединений в сравнении с топологией типа «звезда» и, кроме того, в кольцевой топологии образуется дополнительная линия связи (см. рисунок 2). Каждое устройство, подключенное к линейной или кольцевой сети, должно иметь два порта Ethernet для последовательной передачи пакетов Ethernet по всей сети.

Рис. 2. Линейная и кольцевая топологии

Физический уровень (PHY)

Физический уровень (PHY) — это приемопередатчик с физическим интерфейсом, который реализует функции физического уровня сетевой модели открытых систем (OSI). Физический уровень кодирует и декодирует передаваемые и принимаемые между устройствами данные, сохраняя целостность фреймов и пакетов (см. рисунок 3).

Рис. 3. Типовой сетевой датчик с узлом физического уровня (PHY)

Аппаратная конфигурация PHY – резисторы инициализации

Микросхему ADIN1300 можно сконфигурировать так, чтобы она была готова установить соединение сразу после подачи питания. Такая аппаратная конфигурация подразумевает наличие внешних резисторов инициализации и обеспечивает заранее определенный режим работы после подачи питания в неуправляемых приложениях. Обычно в таких приложениях пользователи не производят настройку PHY по интерфейсу ввода и вывода данных управления (MDIO). Вместо этого неуправляемые приложения подразумевают наличие аппаратно заданной конфигурации PHY для перевода микросхемы ADIN1300 в режим, при котором она будет готова к связи с удаленным PHY-устройством. После подачи питания на ADIN1300 по выходу из состояния сброса происходит захват состояния выводов инициализации, на основе которого PHY производит однозначную настройку различных функций.

В рамках данного пояснения к схеме рассмотрим такие настройки аппаратной конфигурации как скорость, адрес PHY, автоматическое перекрещивание сигналов интерфейса передачи, зависящего от среды (Auto-MDIX), и интерфейс MAC. Отладочная плата EVAL-CN0506-FMCZ имеет посадочные места для различных комбинаций резисторов и определенную конфигурацию по умолчанию. При необходимости резисторы могут быть установлены или сняты для изменения стандартной конфигурации оборудования.

Для получения дополнительной информации об использовании других настроек и таких функций, как энергоэффективный Ethernet (EEE), определение отключения питания, скорость загрузки и программное выключение, необходимо обратиться к документации на ADIN1300.

Физический уровень – MAC-интерфейс

MAC-интерфейс – это проводная среда передачи в рамках CN-0506. Существует три опции интерфейса MAC: RGMII, RMII или MII. RGMII поддерживает все скорости до 1000 Мбит/с, а MII и RMII поддерживают 10 Мбит/с и 100 Мбит/с, соответственно. Интерфейс по умолчанию для CN0506 – RGMII.

Существует два способа выбрать режим MAC-интерфейса: путем аппаратной конфигурации с помощью внешних резисторов и с помощью программной настройки регистров. ADIN1300 имеет многофункциональные выводы MACIF_SEL0 и MACIF_SEL1 (см. документацию на ADIN1300 для получения дополнительной информации), которые, в рамках документа CN-0506, могут быть использованы для настройки интерфейса MAC в соответствии с таблицей 1. Отметим, что выводы MACIF_SEL0 и MACIF_SEL1 имеют внутренние высокоомные резисторы подтяжки. Поэтому, при отсутствии внешних задающих резисторов, интерфейсом MAC по умолчанию является RGMII с задержкой 2 нс.

Таблица 1. Настройка интерфейса MAC

В рамках данных рекомендаций к схеме выбор MAC-интерфейса ADIN1300 осуществляется программным образом – с помощью регистров GE_RGMII_CFG и GE_RMII_CFG. Также возможен аппаратный выбор интерфейса MAC благодаря наличию посадочных мест для монтажа внешних резисторов подтяжки. Тем не менее, эти резисторы изначально не установлены на плате EVAL-CN0506-FMCZ и, следовательно, интерфейсом MAC по умолчанию на момент включения PHY будет RGMII.

Адрес PHY

Пользователь может задать для микросхемы физического уровня любой из 16 адресов с помощью четырех адресных выводов (PHYAD_x). Адресация PHY позволяет иметь в системе до 16 каналов, управляемых независимо от одного контроллера.

На плате EVAL-CN0506-FMCZ на текущий момент аппаратно заданы конкретные адреса. Но их можно изменить, поменяв конфигурацию резисторов на каждом из каналов. По умолчанию, Каналу 1 назначен Адрес 0001, а Каналу 2 – Адрес 0010.

Программируемый тактовый генератор MAC интерфейса

ADIN1300 имеет три варианта интерфейса MAC: MII, RMII или RGМII. Для интерфейсов RGMII и MII требуется тактовая частота 25 МГц, а интерфейс RMII требует наличия внешнего тактового сигнала 50 МГц. Для пользовательских нужд можно установить кварц 25 МГц рядом с выводами XTAL_I и XTAL_O или, в случае использования RMII, напрямую подать тактовый сигнал 50 МГц с хост-контроллера, интерфейса MAC или свитча.

На демонстрационной плате EVAL-CN0506-FMCZ есть два программируемых тактовых генератора с интерфейсом I²C (Y1 и Y2) от 100 КГц до 125 МГц, которые могут обеспечить необходимую каждому ADIN1300 частоту для работы различных MAC-интерфейсов. По умолчанию после подачи питания тактовая частота каждого канала составляет 25 МГц. При использовании MAC-интерфейса RMII генератор можно запрограммировать на частоту 50 МГц. Оба генератора имеют одинаковый I²С-адрес, но микросхема преобразователя адреса I²C LTC4316 позволяет управлять генераторами независимо друг от друга. LTC4316 преобразует каждый бит путем применения операции «исключающего ИЛИ» (XOR) ко входящему адресу и байту преобразования адреса, который пользователь может сконфигурировать с помощью цепи резисторного делителя.

Интерфейс MDI – встроенные электромагнитные элементы

Интерфейс MDI обычно соединяет ADIN1300 с сетью Ethernet через трансформатор и разъем RJ45. В плате, рассматриваемой в CN-0506, использованы разъемы RJ-45 со встроенными трансформаторами. Встроенные в разъем RJ-45 трансформаторы обычно имеют лучшее экранирование электромагнитных помех (EMI) и меньшую площадь посадочного места, требуя при этом более короткой трассировки линий связи, чем в случае дискретных трансформаторов. Интегрированные электромагнитные элементы – это сам разъем RJ45, синфазные дроссели, разделительные трансформаторы, светодиоды, разделительные конденсаторы и оконечные резисторы. Конструкции могут использовать дискретные элементы из-за различных требований к высоким напряжениям в схеме или если требуется особая компоновка элементов на печатной плате ввиду конкретных требований к электромагнитной совместимости.

Источники питания

Чтобы уменьшить количество источников питания, питание для аналоговой части ADIN1300, MDIO- и MAC-интерфейсов берется с шины 3,3 В питания ПЛИС. Шина питания проходит через ферритовое кольцо для уменьшения шума в системе. Цифровое ядро ADIN1300 требует питания 0,9 В. Это напряжение создается на плате от шины 3,3 В использованием понижающего DC/DC ШИМ-конвертора LT3502, который преобразует напряжение 3,3 В от ПЛИС в 0,9 В, потребляя не более 0,45 Вт.

Обзор программного обеспечения

Типовые ПЛИС, подходящие для использования в рамках CN-0506, производят настройку каждого из ADIN1300 независимо. Каждый PHY (ADIN1300) подключен к назначенному MAC-интерфейсу, и имеются три поддерживаемых режима интерфейса между ADIN1300 и ПЛИС: RGMII, MII и RMII.

Для каждого режима существует отдельная конфигурация ПЛИС (Hardware Design Language – HDL), поскольку для некоторых режимов требуются преобразователи (например, Gigabit MII (GMII) в RGMII). Для выбранного рабочего режима должна быть загружена соответствующая конфигурация ПЛИС для корректной работы пользователя в Linux.

Плата EVAL-CN0506-FMCZ подключается к стандартному FMC-разъему с малым количеством контактов (LPC), который позволяет программному обеспечению работать с различными отладочными платами ПЛИС.

Древа устройств Linux для различных режимов и комбинаций плат-носителей можно найти на веб-странице CN0506 HDL. Для получения дополнительной информации о стандартном образе Linux от Analog Devices, Inc., перейдите на веб-страницу FPGA Image User Guide.

Рекомендации по трассировке печатной платы

Трассировка линий связи Ethernet требует серьезного подхода, особенно на гигабитных скоростях. Проводники ведутся к разъемам RJ45 как дифференциальные пары с контролируемым волновым сопротивлением 100 Ом.

Несмотря на то, что сигналы данных и тактирования, идущие к плате-носителю, имеют более низкие частоты, к ним предъявляются особые требования в части крутизны фронтов, что также требует продуманной трассировки. Проводники на плате EVAL-CN0506-FMCZ проведены по возможности короткими путями, но нельзя забывать о длинах сигнальных цепей и согласовании импеданса на несущей плате, которые должны быть тщательно учтены для подключения CN-0506. Эти факторы важны для общей скорости и производительности CN-0506, но необходимо учитывать их по отдельности.

На рисунке 4 показана точка максимального спада сигнала 1000BASE-T от От V2 до V1 на уровне 98,7%.

Рис. 4. Пиковое дифференциальное выходное напряжение микросхемы физического уровня

Результат тестов производительности

С использованием CN-0506 было проведено несколько тестов, в том числе проверка режима, проверка скорости и проверка длины кабеля. Плата EVAL-CN0506-FMCZ была протестирована в различных режимах, в том числе – с увеличенной длиной кабеля. Результаты подробно описаны в таблицах 2 и 3 для кабеля длиной 4 и 154 м соответственно, без потери пакетов. В таблицах 2 и 3 показаны считанные значения регистра счетчика проверки кадров (FC_FRM_CNT_H и FC_FRM_CNT_L) и регистра счетчика ошибок приема (RX_ERR_CNT) микросхемы ADIN1300 для локального и удаленного PHY по короткому и длинному кабелю, соответственно.

Таблица 2. Демонстрационная система на основе EVAL-CN0506-FMCZ с 4-метровым кабелем

Таблица 3. Демонстрационная система на основе EVAL-CN0506-FMCZ со 154-метровым кабелем

Общие замечания

Если в приложении не требуется скорость до 1000 Мбит/с, то можно применять однопортовый Ethernet-трансивер с более низким энергопотреблением, поддерживающий скорости до 100 Мбит/с – ADIN1200.

В качестве альтернативы преобразователю адреса шины I²С можно использовать преобразователь LTC4317 с двумя выходами I²С при одном входе, в то время как преобразователь адреса шины I²С LTC4318 имеет два входа и два выхода.

Если в приложении не требуется поддержка RMII, схему тактирования можно упростить, используя одиночный кварцевый генератор с фиксированной частотой 25 МГц.

Проверка схемы и испытания

Целостность данных и пропускная способность критически важны в промышленных сетях. Петлевой тест данных позволяет проверить всю систему, включая EVAL-CN0506-FMCZ, кабели и разъемы. Для получения полной информации о настройке и тестировании следует обратиться к руководству пользователя CN0506 User Guide.

Необходимое оборудование

Требуется следующее оборудование:

• Демонстрационная плата EVAL-CN0506-FMCZ
• Кабель Ethernet CAT6
• Отладочная плата ZC706 FPGA
• SD-карта
• Беспроводная клавиатура и мышь с USB-портом типа A
• Адаптер micro USB On the Go (OTG)
• Кабель мультимедийного интерфейса высокого разрешения (HDMI) «штекер-штекер»
• HDMI-монитор
• Образ Linux от Analog Devices, настроенный для использования с CN0506

Начало работы

Подготовьте SD-карту, следуя подробным инструкциям, приведенным в кратком руководстве AD-FMC-SDCARD для Xilinx Zynq и Altera SoC, в том числе проделайте следующее:

1. Загрузите актуальный образ FPGA Linux
2. Отформатируйте SD-карту
3. Запишите образ FPGA Linux на SD-карту
4. Скопируйте файл boot.bin и файл древа устройств для CN-0506 в загрузочный раздел SD-карты.

Функциональная блок-схема

На рисунке 5 показана функциональная блок-схема тестового стенда.

Рис. 5. Функциональная блок-схема тестового стенда

Настройки

Для настройки стенда выполните следующие действия:

1. Установите плату EVAL-CN0506-FMCZ на отладочную плату ПЛИС Xilinx ZC706 в разъем LPC FMC, закрепив ее с помощью 10 мм стоек.
2. Вставьте предварительно сконфигурированную SD-карту в плату Xilinx ZC706.
3. Соедините кабелем Ethernet два разъема RJ45 Ethernet, создав петлю.
4. Подключите кабель HDMI к монитору HDMI и плате Xilinx ZC706.
5. Подключите адаптер micro USB OTG к разъему micro USB на Xilinx ZC706.
6. Подключите донгл USB типа A к переходнику USB OTG для подключения беспроводной клавиатуры и мыши
7. Подключите выходной разъем адаптера питания к Xilinx ZC706, а другой конец – в розетку электросети.

Тестирование

Система тестируется в режиме петли путем генерации большого набора данных, которые будут отправлены из одного канала в другой, а затем – обратно. На рисунке 6 представлена фотография демонстрационной платы EVAL-CN0506-FMCZ.

Рис. 6. Демонстрационная плата EVAL-CN0506-FMCZ

Полную информацию и подробности относительно настройки стенда и о том, как использовать EVAL-CN0506-FMCZ, можно найти в руководстве пользователя CN0506 User Guide.

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Семенов по заказу AO Компэл