№12 / 2010 / статья 6

Промышленный Ethernet от ST: всё и сразу

Роман Иванов (г. Санкт-Петербург)

Ethernet (от лат. aether — эфир) — это одна из самых распространенныхтехнологий пакетной передачи данных.

Днем рождения Ethernet считается 22 мая 1973 г. Именно тогда Роберт Меткалф и Дэвид Боггс опубликовали описание экспериментальной сети, построенной ими в Исследовательском центре Xerox. Базировалась она на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. Новая технология получила имя Ethernet (эфирная сеть), в честь радиосети Гавайского университета ALOHA, в которой был использован схожий механизм разделения среды передачи (радиоэфира).

К концу 70-х годов под Ethernet была подведена солидная теоретическая база. А в феврале 1980 года фирма Xerox, совместно с DEC и Intel, представила разработку IEEE, которая спустя три года утвердила ее в качестве стандарта IEEE 802.3.

На сегодняшний день Ethernet — это самый распространенный стандарт организации локальных сетей.

Industrial Ethernet (промышленный Ethernet) — стандартизованный (IEEE 802.3 и 802.11) вариант Ethernet для применения в промышленности. Industrial Ethernet обычно используется для обмена данными между программируемыми контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса, обмена данных между контроллерами, подключения к контроллерам удаленного оборудования (датчиков и исполнительных устройств).

Отличия промышленного Ethernet от обычного:

  • Стандарты на кабели и разъемы, удовлетворяющие специфическим требованиям промышленности: усиленное экранирование и стойкость к агрессивным средам;
  • Специальные стандарты и устройства для связи с подвижными объектами: гибкие кабели, устройства беспроводной связи;
  • Дополнение стека протоколов TCP/IP протоколом RFC1006 обеспечивает регулярную и частую передачу по сети небольших объемов информации, что характерно для обмена данными между промышленными контроллерами;
  • C помощью специальных коммутаторов можно организовать кольцевую топологию, которая при обрыве восстанавливает связь, то есть находит новый путь для передачи данных значительно быстрее, чем применяемый в обычных сетях «алгоритм избыточного дерева»;
  • Частое использование наряду со стеком протоколов TCP/IP специфического стека протоколов ISO Transport Protocol.

Основной причиной нарастающей популярности использования промышленного Ethernet-протокола является его повышенная скорость передачи данных (до 10 Гбит/с) в сравнении с протоколами RS-232 и RS-485, где это значение не превышает 10 Мбит/с. Также благодаря этому протоколу можно соединить множество устройств в одну сеть (возможность передачи данных по схеме peer-to-peer), что исключается в случае протоколов RS-232 и RS-485. Благодаря этим двум преимуществам можно получить значительное улучшение в производительности всей системы. Вдобавок, на рынке существует множество недорогих устройств, работающих на основе протокола Ethernet (роутеры, хабы, точки доступа, оптические провода и т.д.), тогда как стоимость и разнообразие устройств, работающих на основе серийных протоколов, оставляет желать лучшего.

В Ethernet-сетях непредсказуемые коллизии в процедуре CSMA/CD могут быть причиной того, что доставка пакета будет задержана, или пакет полностью исчезнет. По этой причине используют протоколы реального времени. Примером может служить стандарт IEEE 1588. Он определяет специальную процедуру «синхронизации часов».

Стандарт IEEE 1588 известен как «Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems» или, для краткости, «PTP». PTP определяет процедуру, позволяющую многим пространственно-распределенным часам реального времени синхронизироваться через сеть Ethernet. Технология, заложенная в стандарт, была первоначально разработана компанией Agilent и использовалась для распределенных измерений и контроля. Задача состояла в том, чтобы синхронизовать по времени сетевые измерительные устройства так, чтобы они могли записывать измеряемые значения с точным системным штампом времени. На основе этого штампа времени измеренные значения впоследствии могли быть соотнесены друг с другом.

 

Реализация Ethernet компанией STMicroelectronics

Типичная схема построения устройства с Ethernet-каналом представлена на рисунке 1.

 

Схема построения устройства с Ethernet-каналом

 

Рис. 1. Схема построения устройства с Ethernet-каналом

 

Основные узлы:

  • MCU/MPU- микроконтроллер с МАС (media access controller);
  • PHY- трансивер физического уровня;
  • Protection- защита Ethernet порта;
  • Transformer- изолирующий трансформатор;
  • PoE- микросхема подачи питания через Ethernet;
  • RJ45- разъем RJ45.

В статье мы попробуем выстроить эту схему, используя решения от компании STMicroelectronics, надежные в работе и, вместе с тем, более дешевые в закупке, чем изделия для Ethernet компаний Texas Instruments и Freescale.

 

Микроконтроллер с МАС

Для реализации Ethernet компания STMicroelectronics предлагает семейство контроллеров STM32F107 с Ethernet MAC-блоком, входящий в обширную линейку микроконтроллеров STM32, базирующееся на современном ядре ARM Cortex-M3. Модуль MAC обеспечивает адресацию и механизмы управления доступом к каналам, что позволяет нескольким терминалам или точкам доступа общаться между собой в многоточечной сети.

Микроконтроллеры реализованы на ядре ARM CortexTM-M3, обладают развитыми системными ресурсами и имеют малое энергопотребление. Ядро ARM CortexTM-M3 выполнено по Гарвардской архитектуре и имеет несколько шин, что позволяет распараллеливать операции обмена данными, тем самым достигая высокой производительности. Максимальная тактовая частота ядра микроконтроллеров STM32F107 составляет 72 МГц.

Микроконтроллеры STM32F107 имеют довольно широкий набор встроенной периферии: АЦП, датчик температуры, Ethernet, USART, I2C, SPI, CAN, USB, часы реального времени и многое другое. Также нельзя не отметить широкую программную поддержку семейства STM32 как компанией STMicroelectronics, так и сторонними производителями ПО. Например, это библиотека стандартной периферии, аудиобиблиотека, DSP-библиотека, библиотека управления двигателями, бесплатные TCP/IP стеки с руководством по использованию.

Для более эффективного использования ресурсов ядра микроконтроллера реализован 12 канальный контроллер прямого доступа к памяти (DMA), позволяющий осуществлять параллельный обмен данными между периферийными устройствами, не затрагивая ресурсов ядра.

Обобщенная функциональная схема микроконтроллера STM32F107 представлена на рисунке 2.

 

Обобщенная структурная схема микроконтроллеров STM32F107

 

Рис. 2. Обобщенная структурная схема микроконтроллеров STM32F107

Ethernet модуль микроконтроллеров STM32F107 имеет достаточно широкий набор функций, вот лишь некоторые из них:

  • Соответствует стандарту IEEE802.3;
  • Осуществляет передачу данных на скоростях 10 и 100Мбит/c;
  • Поддержка протокола IEEE1588 на аппаратном уровне;
  • Поддерживает VLAN (виртуальная локальная сеть);
  • Поддерживает Half-duplex (CSMA/CD) и Full-duplex режимы;
  • Поддержка MAC control sublayer (подуровень управления доступом к среде).

Для упрощения процесса разработки Ethernet-приложений компания STMicroelectronics представила на сайте несколько рекомендаций по применению. Например, описано применение lwIP TCP/IP- и NicheLiteTM TCP/IP-стеков. Также имеется подробное руководство по внутрисхемному программированию через Ethernet.

Полную информацию можно получить на сайте производителя по адресу: http://www.st.com.

 

Трансивер физического уровня

Следующим важным звеном при реализации Ethernet-интерфейса является трансивер физического уровня (PHY). Устройство физического уровня обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по транспортной среде, синхронизацию передаваемых данных, а также прием и декодирование данных. Трансиверы могут подключаться как к медному проводу, так и к оптическому кабелю.

Одной из последних разработок компании STMicroelectronics является трансивер ST802RT1. Он имеет два исполнения. ST802RT1A — для работы с витой парой (рисунок 3).

 

Трансивер ST802RT1A для работы с витой парой

 

Рис. 3. Трансивер ST802RT1A для работы с витой парой

ST802RT1B — для работы с оптическим приемопередатчиком (рисунок 4).

 

Трансивер ST802RT1B для работы с оптическим приемопередатчиком

 

Рис. 4. Трансивер ST802RT1B для работы с оптическим приемопередатчиком

Основные возможности трансивера ST802RT1:

  • Поддерживает IEEE802.3 10Base-T и IEEE802.3u 100Base-TX, 100Base-FX (только для ST802RT1B);
  • Работает в режиме Full-duplex (дуплекс) на скоростях 10 и 100Мбит/c;
  • Auto MDI-X. Эта функция позволяет использовать для подключения как прямой, так и кроссовый кабель. Трансивер сам выберет тип кабеля;
  • Auto-negotiation. Эта функция автоматического определения типа сети, позволяющая существенно облегчить жизнь пользователям сети. Функция автодиалога или автосогласования (так можно перевести auto-negotiation) позволяет адаптерам, в которых предусмотрено переключение скорости передачи, автоматически подстраиваться под скорость обмена в сети. При этом пользователь сети не должен следить за тем, на какую скорость обмена настроена его аппаратура: система сама выберет максимально возможную скорость;
  • Режим Loop-back для тестирования состояния линии;
  • MII/RMII-интерфейс для связи с MAC-контроллером;
  • MDC/MDIO-интерфейс для управления работой трансивера;
  • Расширенный температурный диапазон: -40…105°C.

Рассмотрим подробнее подключение трансивера к микроконтроллеру. Для связи MAC с устройством физического уровня используется один из трех интерфейсов: MII, RMII или SMII.

Интерфейс MII (рисунок 5) состоит из двух частей: собственно канала приема-передачи данных (MII) и служебного канала управления (MDIO и MDC). Все операции интерфейса MII выполняются в синхронном режиме.

 

Структура интерфейса MII

 

Рис. 5. Структура интерфейса MII

Канал передачи данных MII содержит следующие сигналы:

  • MII_TXD (3..0)- группа параллельных сигналов данных, которые поступают в трансивер из MAC;
  • MII_TX_CLK- частота для тактирования передачи данных. Вырабатывается в трансивере и передается в МАС: 2,5МГц для операций 10Мбит/c, 25МГц для операций 100Мбит/c;
  • MII_TX_EN- разрешение передачи. MAC устанавливает этот сигнал, когда установлены достоверные данные на передачу;
  • MII_CRS- опрос несущей. В течение полудуплексной операции трансивер устанавливает этот вывод, когда передает или принимает пакеты данных. В течение дуплексной операции CRS устанавливается при приеме;
  • MII_COL- детектирование коллизии. Трансивер устанавливает этот вывод, когда обнаружено столкновение на линии. Этот вывод остается высоким во время столкновения на линии. Этот сигнал- асинхронный и неактивен в течение дуплексной операции;
  • MII_RXD (3..0)- группа параллельных сигналов данных, выдаются из трансивера в МАС-контроллер;
  • MII_RX_CLK- частота для тактирования приема данных. Вырабатывается в трансивере и передается в МАС: 2,5МГц для операций 10Мбит/c, 25МГц для операций 100Мбит/c;
  • MII_RX_DV- достоверность принятых данных. Трансивер устанавливает этот сигнал, когда он получает достоверный пакет данных и, соответственно, выдает достоверные данные на RXD;
  • MII_RX_ER- ошибка приема. Трансивер сообщает о том, что в приемном потоке данных произошла ошибка.

Служебный канал содержит следующие сигналы:

  • MDC- частота для последовательного канала данных MDIO;
  • MDIO — двунаправленный последовательный канал данных для связи с регистрами управления трансивера.

Наряду с программным конфигурированием, можно использовать аппаратное. Суть аппаратного конфигурирования заключается в том, что трансивер непосредственно после сброса считывает состояние нескольких выводов. Каждый из считываемых выводов отвечает за определенную функцию. Задание состояния вывода осуществляется его подтяжкой через резистор 2,2 кОм (такой номинал рекомендован производителем) на питание или ноль. Аппаратно можно задавать следующие функции:

  • Выбор MII/RMII интерфейса для связи с MAC-контроллером;
  • Задание скорости передачи: 10 или 100Мбит/c;
  • Задание режима: Half-duplex или Full-duplex;
  • Разрешение или запрещение Auto-negotiation;
  • Разрешение или запрещение Loop-back;
  • Задание адреса трансивера.

Кроме интерфейса MII можно использовать «сокращенный» MII — RMII (Reduced MII). Этот трансивер имеет возможность работать с сокращенным набором сигналов интерфейса MII. В таком режиме работы разрядность шин RXD и TXD сокращается вдвое, но соответственно вдвое поднимается частота синхронизации MAC. Такое решение позволяет упростить конструкцию печатной платы и сократить количество используемых выводов микроконтроллера. В ряде случаев возможно использовать единую частоту синхронизации для MAC и PHY.

Интерфейс RMII имеет сокращенный набор сигналов и полностью совместим с IEEE 802.3u. Он позволяет работать в режимах 10 и 100 Мбит/c, имеет частоту синхронизации 50 МГц. Реализация представлена на рисунке 6.

 

Структура интерфейса RMII

 

Рис. 6. Структура интерфейса RMII

Кроме ST802RT1 можно упомянуть STE101P. Основное отличие — это наличие интерфейса SMII. Интерфейс имеет сокращенный набор сигналов и полностью совместим с IEEE 802.3u. Он поддерживает режимы работы 10 и 100 Мбит/c.

Интерфейс SMII состоит из сигнала для приема данных от MAC в PHY, сигнала для передачи данных в MAC из PHY, сигнала синхронизации и общего опорного синхросигнала. Сигналы SMII синхронизированы на частоте 125 MГц. Высокая скорость работы интерфейса требует соответственно более тщательной разводки топологии печатной платы. Главное достоинство SMII — минимальное количество задействованных выводов.

Компания STMicroelectronics предлагает разработчикам два отладочных набора на базе микроконтроллера STM32F107 и трансиверов серии ST802RT1.

STEVAL-PCC010V1 — набор на основе трансивера ST802RT1A — для работы с витой парой. Набор состоит из двух плат (рисунок 7).

 

Отладочный набор STEVAL-PCC010V1

 

Рис. 7. Отладочный набор STEVAL-PCC010V1

На первой плате расположен микроконтроллер STM32F107 c Ethernet MAC-блоком на борту. Имеется кнопка сброса микроконтроллера (Reset) , пара светодиодов (Led) и кнопка общего назначения (General purpose Button). На плате установлен стандартный 20-контактный разъем JTAG для отладки. Для тактирования микроконтроллера установлен кварцевый резонатор на 25 MГц. Питание осуществляется от USB через преобразователь 3,3 В LDO. Также на плате установлен дополнительный 20-контактный разъем для подключения к плате внешней периферии. На второй плате установлен трансивер ST802RT1A. Для тактирования микросхемы установлен кварцевый резонатор на 25 MГц. 12 перемычек позволяют аппаратно задавать начальную конфигурацию трансивера. Соединение двух плат осуществляется через 20-контактный разъем (MII/RMII connectors).

STEVAL-PCC011V1 — набор на основе трансивера ST802RT1В для работы с оптическим приемопередатчиком (рисунок 8). Основное отличие от PCC010V1 — оптический приемо-передатчик Agilent HFBR5803, установленный вместо разъема RJ45.

 

Отладочный набор STEVAL-PCC011V1

 

Рис. 8. Отладочный набор STEVAL-PCC011V1

 

Защита Ethernet-порта

В качестве защиты Ethernet-порта обычно используются диодные сборки. SLVU2.8 — защитная диодная сборка, производимая компанией STMicroelectronics. Подробная статья о ней опубликована в восьмом номере журнала «Новости электроники» за текущий год.

 

Микросхема подачи питания через Ethernet

Power-over-Ethernet, или PoE — технология, позволяющая использовать имеющиеся кабели Ethernet для одновременной передачи данных и подачи электропитания. Это устраняет необходимость в применении дополнительных кабелей питания.

Данная технология предназначается для IP-телефонии, IP-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно проводить отдельный электрический кабель.

Power-over-Ethernet стандартизирована по стандарту IEEE 802.3af. Существует несколько вариантов этой технологии, предшествующих данному стандарту, но они мало распространены.

Согласно стандарту IEEE 802.3af обеспечивается постоянный ток с номинальным напряжением 48 В (мин. = 36 В, макс. = 57 В) через две пары проводников с максимальным током 400 мА. Стандарт определяет пять классов устройств, питаемых по PoE: 0…4. Каждому классу соответствуют свои параметры мощности и тока. Наиболее распространен первый класс. Для него входной ток равен 120 мА, а мощность может варьироваться от 0,44 до 3,84 Вт. Четвертый класс не используется и зарезервирован на будущее.

Для подачи энергии используются, как правило, свободные витые пары 4/5 и 7/8. Предусмотрено и фантомное питание через передатчик по витым парам 1/2 и 3/6.

Компания STMicroelectronics предлагает несколько микросхем PoE (PM8800, PM8803). Остановимся подробнее на микросхеме PM8800 (рисунок 9).

 

Структура PM8800

 

Рис. 9. Структура PM8800

Основные возможности PM8800:

  • Поддерживает IEEE 802.3af;
  • Две схемы включения: с изоляцией по питанию и без изоляции;
  • Работает с двумя источниками питания: от Ethernet и от вспомогательного (локального);
  • Функция мягкого старта и другие функции защиты.

Подробное описание с примерами схем включения можно найти в техническом описании на микросхему.

Приятным бонусом от производителя является демонстрационная плата — PM8800 demonstration kit (рисунок 10). К плате прилагается подробное описание со схемами и разводкой.

 

Демоплата PM8800 demonstration kit

 

Рис. 10. Демоплата PM8800 demonstration kit

 

Изолирующий трансформатор и разъем RJ45

Рекомендации по выбору изолирующего трансформатора и разъема RJ45 приведены в описании трансивера. Можно использовать разъем со встроенным изолирующим трансформатором. В случае использования оптической линии связи вместо трансформатора и разъема устанавливается оптический приемопередатчик.

 

Заключение

Компания STMicroelectronics предоставляет пользователям все необходимые аппаратные средства для реализации Ethernet-канала в своих разработках: высокопроизводительные и недорогие микроконтроллеры на базе ядра ARM CortexTM-M3, трансиверы физического уровня, защитные диодные сборки, линии передачи и микросхемы PoE.

Это является основным конкурентным преимуществом, т.к. производитель уже проработал все вопросы сопряжения микросхем цепи Ethernet. Разработчик может пользоваться готовыми наработками компании STMicroelectronics и сэкономить свое время.

Также для ускорения и упрощения процесса разработки компания предлагает широкий выбор отладочных плат. На сайте можно найти большое количество рекомендаций по применению и примеров программного кода.

В заключение хочется отметить, что использование элементной базы одного производителя позволяет уменьшить общую стоимость изделия, поскольку «пакетные» закупки комплектующих всегда более выгодны в финансовом плане.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: mcu.vesti@compel.ru

 

 

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее