Rozwiązania Ethernet Microchip

fot. Rozwiązania Ethernet Microchip

Sieci Ethernet do niedawna klasyfikowane były jako sieci do zastosowań biurowych. Coraz częściej spotyka się je w aplikacjach sterowania procesami przemysłowymi, a nawet w zastosowaniach związanych z układami bezpieczeństwa. Ich zastosowanie ma liczne zalety. Jakie? Przekonajmy się na przykładzie rozwiązań proponowanych przez firmę Microchip Technology.

W ostatnich latach można zauważyć, że rozwiązania oparte na przesyłaniu danych poprzez sieć Ethernet stają się coraz powszechniejsze w instalacjach przemysłowych. Zastosowanie sieci Ethernet jako uniwersalnego medium do transmisji danych w obrębie sterowania procesem produkcyjnym, a jednocześnie w segmencie zarządzania przedsiębiorstwem przynosi liczne korzyści. Przede wszystkim pozwala zastąpić wiele rodzajów istniejących dotąd sieci jedną.

Typowa struktura sieci

Historycznie, w zakładach produkcyjnych można było wyróżnić następujące poziomy struktury sieci:

• poziom czujników i urządzeń wykonawczych

Cechowała go duża liczba urządzeń przy niewielkiej ilości danych, które były między nimi transmitowane.

• poziom sterowania

Na tym poziomie obecne były urządzenia kontrolne (np. sterowniki PLC), których liczba była mniejsza niż na ww., lecz rosła ilość danych przesyłanych między nimi.

• poziom monitorowania i poziom zarządzania

Poziomy te charakteryzowały się niewielką ilością urządzeń przy dużo większej ilości danych przesyłanych między nimi. Jednocześnie przesyłane tam informacje nie były krytycznymi dla samego procesu produkcji. Tymczasem dane przysyłane na dwóch niższych poziomach (czujników i urządzeń wykonawczych oraz sterowania) wymagały zachowania ścisłych reżimów dotyczących czasów transmisji oraz pewności, że wysłany komunikat dotrze do celu. Do niedawna w obrębie zakładu przemysłowego funkcjonowało kilka rodzajów sieci, aby pogodzić ze sobą te wymagania. Powodowało to jednak trudności związane z ich utrzymaniem i wzajemną integracją.

Charakterystyka sieci Ethernet

Wydawać by się mogło, że sieć Ethernet od początku była w stanie sprostać wymaganiom dotyczącym jednoczesnej obsługi dużej ilości urządzeń (węzłów) i przesyłania dużej ilości danych. Pojawiał się jednak problem, związany z tym, że zastosowany w niej protokół do transmisji danych był protokołem niedeterministycznym. Podstawowe różnice pomiędzy protokołami pokazuje poniższa tabela.

 
Rozwój sieci Ethernet umożliwił stopniową eliminację poszczególnych ograniczeń, wynikających z jej niedeterministycznej natury. W chwili obecnej, dzięki coraz większej odporności na zakłócenia, niezawodności transmisji i ogromnej przepustowości jest ona alternatywą dla klasycznego podejścia.

Co więcej Ethernet umożliwia:

• bezpieczne monitorowanie systemów przez Internet;
• precyzyjną kontrolę procesów przemysłowych w obiektach produkcyjnych;
• integrację urządzeń korzystających z popularnych, „obecnych od zawsze”, interfejsów takich jak SPI, transmisja równoległa 8/16-bit i USB.

Niezależnie od rodzaju danych przesyłanych przez sieć Ethernet, protokół obsługujący transmisję jest kompleksowy i skomplikowany. Specyfikacji i standaryzacji podlegają: medium (w którym odbywa się transmisja - przewody), sygnały, format ramek, wykorzystywane protokoły. Specyfikacja Ethernet podawana jest w standardzie IEEE 802.

Produkty Ethernet firmy Microchip Technology

Microchip Technology oferuje wiele produktów dedykowanych do obsługi transmisji danych w sieci Ethernet. Firma postawiła przede wszystkim na łatwość implementacji. W układach zastosowano zaawansowane technologie i mechanizmy wpływające na utrzymanie wysokiej jakości procesu przesyłania danych. Zostały one poddane wszechstronnym testom kompatybilności z rozwiązaniami obecnymi na rynku i obowiązującymi w nich standardami. Producent udostępnia użytkownikom bezpłatne oprogramowanie i sterowniki.

Należy pamiętać, że z uwagi na stopień skomplikowania protokołów stosowanych w sieci Ethernet, układy obsługujące transmisję i wykorzystujące do maksimum możliwości oferowane przez ten typ sieci, w większości przeznaczone są do współpracy z systemami mikroprocesorowymi. Jednocześnie 90% urządzeń przemysłowych, obsługujących transmisję Ethernet, pracuje pod kontrolą systemów operacyjnych bazujących na Linux i zdecydowana większość sterowników obsługuje właśnie ten OS. Microchip Technology zapewnia narzędzia ewaluacyjne mogące służyć jako rozwiązania referencyjne. Producent oferuje również usługę LANCheck® polegającą na sprawdzeniu i dopracowaniu wspólnie z klientem projektowanej aplikacji. Wśród rozwiązań prezentowanych przez Microchip dostępne są układy, które mogą pracować w przemysłowym zakresie temperatur (od -40°C do 85°C) oraz układy spełniające normę Automotive (AEC-Q100).

Oto rodzaje produktów Microchip dedykowane obsłudze transmisji danych w sieci Ethernet:

Wybrane technologie w układach Ethernet firmy Microchip Technology

Nieustanne udoskonalanie układów wspierających Ethernet następuje w zakresie:

I. Zmniejszanie poboru energii elektrycznej

Zmniejszenie ilości energii konsumowanej przez urządzenia jest tym bardziej istotne, że przepisy prawne zawierają stosowne regulacje w tym zakresie. Jako że Ethernet obecny jest w wielu układach: w systemach mikroprocesorowych, centrach danych oraz urządzeniach zaliczanych do kategorii Internet of Things (IoT), Microchip Technology zaimplementował następujące technologie:

• mechanizm zaawansowanego zarządzania mocą Ethergreen™ — odpowiedzialny za realizację transmisji w najniższej warstwie fizycznej. Układy z tym mechanizmem spełniają normy IEEE 802.3az (Energy Efficient Ethernet, EEE). Detekcji podlega tutaj stan łącza i w przypadku braku aktywności układ przechodzi w stan bezczynności (idle state) lub jest usypiany, co redukuje ilość konsumowanej energii;

• wybudzenie układu ze stanu uśpienia — realizowane poprzez zaimplementowaną funkcjonalność Wake-on_LAN (WoL);

• ultraniski pobór prądu w stanie uśpienia (Signal Detect Wake Up) <1µA.

II. Zwiększenie determinizmu, a więc przewidywalności transmisji w sieci Ethernet 

• mechanizm synchronizacji wszystkich węzłów sieci Ethernet za pomocą pojedynczego, ultradokładnego sygnału zegarowego (GPS Grand Master Clock). Układy wyposażone w ten mechanizm są zgodne ze specyfikacją IEEE1588v2 / 802.1AS;

• różne mechanizmy kształtowania ruchu pakietów w sieci Ethernet, np. stosuje się mechanizm AVB (Audio Video Bridging), jako metodę transportu strumieni danych audio/video poprzez sieć Ethernet — pozwala on na nadawanie priorytetów pakietom zawierającym strumień danych tego typu w celu ich transmisji, z zachowaniem ciągłości i dostarczenia ich odbiorcy w ściśle określonym czasie. Innym mechanizmem jest Time Aware Traffic Scheduler, gdzie również możliwe jest przypisywanie priorytetów nadawanym ramkom danych, aby zostały dostarczone w ściśle określonym reżimie czasowym z pomijalnie małym opóźnieniem — taki mechanizm stosuje się do danych przesyłanych pomiędzy sterownikiem PLC a elementem wykonawczym (robotem), połączonych siecią Ethernet.

III. Zwiększenie niezawodności transmisji danych w sieci Ethernet

• mechanizm Quiet-Wire® — nadaje układom zwiększoną odporność na szumy zakłócające transmisję, których źródłem są urządzenia zewnętrzne oraz potencjalnie nienajlepszej jakości medium, w którym odbywa się transmisja (przewody niskiej jakości). Jednocześnie poziom emisji szumów własnych generowanych przez układy z mechanizmem Quiet-Wire® jest minimalny. Można zatem stosować „ekonomiczne” wersje kabli przy zachowaniu dużego zasięgu transmisji (standardowo ≥170 metrów); 

• mechanizmy detekcji możliwych błędów transmisji i ich automatycznej naprawy — specjalne protokoły takie jak DLR (Device Layer Ring) i HSR (High Seamless Redundancy). W pierwszym z nich sieć Ethernet organizowana jest jako sieć o strukturze typu „ring”, natomiast w drugim wprowadza się do sieci pakiety nadmiarowe dla informacji krytycznych.

• mechanizm LinkMD® testuje i wykrywa sprzętowe usterki sieci, takie jak przerwy i zwarcia — przy jego wykorzystaniu możliwa jest detekcja rodzaju uszkodzenia i odległości, w jakiej ono nastąpiło od urządzenia, w którym ów mechanizm został zastosowany.

Przegląd układów Microchip Technology wspierających Ethernet

Poza mikrokontrolerami i mikroprocesorami z zaimplementowaną obsługą warstwy łącza danych (adres MAC) i warstwy fizycznej (PHY) dostępne są:

1. Kontrolery Ethernet

Układy tego typu zapewniają obsługę najniższych warstw komunikacji sieciowej, czyli warstwy fizycznej oraz warstwy łącza danych (kontrolery Ethernet posiadają zaimplementowany adres MAC). Układy komunikują się z nadrzędnym mikrokontrolerem (MCU) lub mikroprocesorem/systemem mikroprocesorowym (MPU/SoC) za pomocą interfejsu szeregowego SPI lub 8-/16-bitowego interfejsu równoległego. Rodzaj użytego interfejsu określa maksymalną szybkość wymiany danych między kontrolerem a procesorem, a co za tym idzie szybkość transmisji danych w sieci. Technologie stosowane w kontrolerach Ethernet to między innymi EtherSynch®, EtherGreen™(EEE), WoL.

Przykładem kontrolera Ethernet wyposażonego w zaawansowane mechanizmy jest układ LAN9250. Wspiera on komunikację w standardzie Ethernet 10Base-T/100Base-TX i posiada obudowę QFN64 i TQFP64. Microchip Technology proponuje także prostsze modele dedykowane mniej wymagającym aplikacjom, wspierające komunikację w standardzie Ethernet 10Base-T. Takim układem jest popularny ENC28J60.

2. Kontrolery USB-Ethernet (mostki)

Możemy wybierać spośród kilkunastu typów kontrolerów Ethernet wyposażonych w interfejs USB, które pozwalają na szybką wymianę danych pomiędzy kontrolerem a mikroprocesorem. Mostki USB-Ethernet mogą być również wykorzystane do budowy adaptera USB-Ethernet, pełniącego m.in. funkcję zewnętrznej karty sieciowej.

Reprezentantem tego rodzaju układów jest LAN7850. Obsługuje on komunikację Ethernet w standardzie 10Base-T/100Base-T oraz 1000Base-T (GigE). Wymiana danych z procesorem odbywa się poprzez interfejs USB2.0 (z maksymalną szybkością transmisji 480Mbps) lub poprzez interfejs HSIC (High-Speed Inter-Connect), będący niskomocową wersją interfejsu USB, nieprzekraczającą 10 cm i używaną do bezpośredniej komunikacji pomiędzy układami na odległość. W układzie LAN7850 zaimplementowano technologię NetDetach™ (ustawienie mikroprocesora zarządzającego w tryb niskiego poboru energii przy braku transmisji danych w sieci Ethernet) oraz mechanizm WoL — tym samym spełnia standardy IEEE802.3az (EEE). LAN7850 może pracować w przemysłowym zakresie temperatur (-40°C +85°C). Mostek produkowany jest w obudowie SQFN56. Firma Microchip Technology udostępnia sterowniki do systemów operacyjnych Linux, Mac OS i Windows.

3. Transceivery Ethernet

Są to układy nadawco-odbiorcze pracujące w najniższej, fizycznej warstwie komunikacji sieciowej (PHY). Transceivery komunikują się z urządzeniami pracującymi w wyższych warstwach sieci za pomocą interfejsów MII/RMII (standard transmisji Ethernet 10/100Base-T) lub GMII/RGMII(standard transmisji Ethernet 1000Base-T). W układach tych znalazły zastosowanie technologie: EtherGreen™ (EEE), Quiet-Wire™,LinkMD™ czy WoL.

Przykładem rozbudowanego funkcjonalnie transceivera jest KSZ8061 (10/100Base-T), który, poza wyżej wymienionymi, wyposażony jest w mechanizmy wymuszające deterministyczną (przewidywalną) transmisję danych w sieci Ethernet. Układ występuje w obudowie QFN32 i posiada wersję do zastosowań w przemyśle motoryzacyjnym (kwalifikacja AEC-Q100).

4. Przełączniki sieciowe (switche)

Przełączniki sieciowe to urządzenia wykorzystywane, gdy zachodzi potrzeba połączenia ze sobą kilku segmentów sieci lub połączenia kilku stacji roboczych. Układy działają w warstwie łącza danych, analizują zatem adresy MAC nadawcy i odbiorcy wiadomości. Dzięki temu — w przeciwieństwie do koncentratorów (hubów) — nie przesyłają one sygnału elektrycznego z jednego portu do wszystkich pozostałych, lecz do segmentu sieci, w którym znajduje się adresat wiadomości. W ten sposób zmniejsza się możliwość wystąpienia kolizji i uzyskuje się większą rzeczywistą szybkość transmisji danych.

Obecnie dostępnych jest kilkadziesiąt układów typu switch firmy Microchip Technology, obsługujących od trzech do dziewięciu portów Ethernet. Jednym z najnowszych jest KSZ9477. Posiada on siedem portów Ethernet i obsługuje interfejsy GMII/RGMII/MII/RMII. Dostęp do wewnętrznych rejestrów układu jest możliwy przez interfejs SPI lub I2C. W KSZ9477 zaimplementowano m.in. takie technologie jak EtherSynch®, AVB, WoL oraz mechanizmy ułatwiające zastosowanie protokołów DLR oraz HSR. Przełącznik pracuje w przemysłowym zakresie temperatur (-40°C +85°C) i posiada obudowę TQFP128.

Podsumowanie

Dobór kontrolera zależy przede wszystkim od specyfiki aplikacji. W niektórych wystarczy prosty kontroler sterowany przez SPI, w innych może być potrzeba zastosowania kontrolera z interfejsem USB. Natomiast, jeśli tworzymy sieci składające się z kilku stacji roboczych, wówczas wykorzystanie przełącznika sieciowego może wpłynąć na znaczną poprawę przepustowości. By dokonać właściwego wyboru, warto wiedzieć jakie rodzaje układów można znaleźć na rynku i kojarzyć ich podstawową specyfikację. Nie ulega jednocześnie wątpliwości, że firma Microchip to jeden z największych światowych producentów tego typu produktów. W ofercie firmy Transfer Multisort Elektronik, oficjalnego dystrybutora Microchip dostępne są różne typy układów, wspierające komunikację Ethernet. Więcej informacji można znaleźć na stronie www.tme.eu.