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工業以太網

簡化您的以太網設計,第1部分:以太網PHY基礎知識和選擇過程

  2020年04月07日  

  是100BASE-T1、1000BASE-T、100BASE-TX、10BASE-T還是10BASE-Te?對于那些不太精通以太網物理層(PHY)術語的人來說,評估各種類型的術語是非常難的。這些數字、符號和縮寫指的是什么?什么是介質獨立接口(MII)?汽車物理層和工業物理層的區別在哪?如何為網絡協議攝像頭、車聯網控制單元和可編程邏輯控制器選擇物理層?所有的物理層都滿足各種現場總線要求嗎?

  在技術文章系列"簡化您的以太網設計"的第1部分中,我們將介紹以太網物理層基礎知識,幫助您選擇合適的終端應用物理層。我們還將提供TI物理層選擇流程圖,幫助您簡化物理層選擇過程。

什么是以太網物理層?

  實際上,基礎以太網物理層非常簡單:如圖1所示,它是一種物理層收發器(發射器和接收器),能將一個設備物理地連接到另一個設備。這種物理連接可以是銅線(例如CAT5電纜--一種家庭使用的藍色插線電纜)或光纖電纜。

圖1:以太網系統框圖

  互聯網的初始概念是一個能夠快速、可靠、安全地將數據從一所大學交換到另一所大學的網絡,從而造成了以太網的誕生。隨后電氣和電子工程師在(IEEE)在以太網的基礎上進行擴展,采用新的速度(數據速率)、物理介質(電纜材料)和物理層功能,使以太網的擴展遠遠超出計算機網絡。

Ethernet物理層有哪些功能?

  Ethernet物理層有兩大主要功能。
  首先,物理層(PHY)具有直接與設備的介質訪問控制器(MAC)連接的數字域,如現場可編程門陣列(FPGA)、微控制器(MCU)或中央處理器(CPU)。PHY將在不同程度上具有MII、4位寬的數據總線,在發送和接收方向上具有控制線和時鐘線。MII形式多樣,具體取決于MAC和PHY的速度,并且會有不同引腳計數。表1顯示了最常見的MII,并提供了在選擇時中要考慮的利弊的摘要。

接口

引腳(引腳計數)

速度支持

(Mbps)

MII

RX_D[3:0], RX_CLK, RX_DV, CRS, COL TX_D[3:0], TX_CLK, TX_EN

(14)

10, 100

普通引腳分配、低速、便于布線、最低延遲

1-Gbps支持,高引腳計數

MII減少(RMII

RX_D[1:0], CRS_DV, TX_D[1:0], TX_EN

(6)

10, 100

引腳計數減少

確定性延遲低 (由于先進、先出),無1-Gbps支持

千兆位MIIGMII

RX_D[7:0], GRX_CLK, RX_CTRL, TX_D[7:0], GTX_CLK, TX_CTRL

(20)

10, 100, 1000

1-Gbps支持,低延遲

高引腳計數,一般不支持

千兆位MII減少(RGMII

RX_D[3:0], RX_CLK, RX_CTRL, TX_D[3:0], TX_CLK, TX_CTRL

(12)

10, 100, 1000

1-Gbps支持,普通引腳分配

布線困難,電磁兼容性(EMC)差

串行千兆位MIISGMII

SO_P, SO_M, SI_P, SI_M

(4)

10, 100, 1000

1-Gbps支持,普通引腳分配,電磁兼容性優良,易于布線

集成電路更昂貴

表1:根據引腳數和速度支持列出常見的MII

  其次,PHY有一個介質獨立接口(MDI),它通過物理介質將一個設備(同樣,一個FPGA、MCU或CPU)連接到另一個設備。這通常被稱為物理層的模擬域,因為它是一個連續時變信號。

  基于MDI,為您的系統選擇合適的以太網物理層

  現在我們已經介紹了物理層的功能,讓我們應用這些知識來為您的系統找到合適的物理層。大多數集成電路制造商規定其物理層具有以下規范和特性:
  ●數據速率(10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps)
  ●接口支持(MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII)
  ●介質支持(BASE-T、BASE-Te、BASE-TX、BASE-T1)
  有了這些信息,您可以從數據速率開始研究此列表,并將其與終端應用所需的數據速率相匹配。接下來,確定應用通常使用的標準。例如,自2015年以來,汽車以太網得到了極大的擴展,現在通常由半導體制造商提供。因此,介質標準是一個重要的考慮因素,因為BASE-T1與BASE-T完全不同。

  再舉一個例子,消費電子產品和大多數工業應用使用10BASE-Te、100BASE-TX和1000BASE-T,因為PC支持這些標準。如果您的應用程序是自動化的,那么支持BASE-T1的物理層是最適合的解決方案。此規則的例外是汽車車載診斷(OBD)端口,它通常使用BASE-T或BASE-TX接口來(再次)支持PC連接。表2概述了常見的MDI及其常見的系統。

MDI

IEEE規范(數據速率)

典型系統

中等

10BASE-T/Te

IEEE802.3u

(10 Mbps)

工業照明

CAT5

通用支持

遠距離

低待機功率

低速

10BASE-T1L

IEEE802.3cg

(10 Mbps)

現場發送器;開關;加熱、通風和空調控制器;自動扶梯

非屏蔽雙絞線(UTP),屏蔽雙絞線(STP

超長距離,單對雙向,數據功率耦合

低速

100BASE-TX

IEEE802.3u

(100 Mbps)

PLCIP攝像頭、OBD端口

CAT5

通用支持,由現場總線使用

高發射,外部組件

100BASE-T1

IEEE802.3bu

(100 Mbps)

顯示群集、音響主機、網關、信息娛樂、航空電子通信、機器人學、機器視覺

UTP, STP

低發射、高抗擾性、單對雙向電纜

不常見(無PC連接支持),電纜長度較短

1000BASE-T

IEEE802.3ab

(1 Gbps)

IP攝像頭,測試與測量

CAT6

1-Gbps速度

電纜昂貴

1000BASE-T1

IEEE802.3bp

(1 Gbps)

車聯網控制單元、網關、航空電子通信、機器人學、機器視覺

UTP, STP

1-Gbps速度,單對雙向

不常見(無PC連接支持),電纜長度較短

表2:常用MDI比較表

  大多數商業和工業物理層支持多種數據速率。這些物理層包括一種稱為自動協商的機制,這是物理層交換有關功能支持的信息的一種方式,使它們能夠以盡可能快的速度連接起來。

  TI以太網物理層選擇流程圖

  如果您已經準備好將您的以太網物理層知識付諸實踐,圖2是一個簡單的物理層選擇流程圖,它可以幫助您確定適合您的設計的TI設備。如要了解此流程圖中設備的更多信息,包括用于支持工業4.0應用的DP83826E低延遲以太網物理層和用于空間受限汽車應用的DP83TC811S-Q1100BASE-T1以太網物理層,請訪問我們的以太網物理層概述。

圖2:TI以太網物理層選擇流程圖

  敬請期待我們物理層選擇系列的第2部分,我們將探索物理層原理圖捕獲和布局的最佳實踐,以最大限度地降低噪聲、發射和信號損失。

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