選擇以太網(wǎng)PHY 時(shí)應(yīng)注意哪些因素
文: ADI 高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師 Thomas Brand2022年第四期
導(dǎo)語(yǔ):在工業(yè)領(lǐng)域,傳統(tǒng)的通信技術(shù)開(kāi)始達(dá)到極限,而以太網(wǎng)(本例中為工業(yè)以太網(wǎng))開(kāi)始成為新的標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)物理(PHY)層是IEEE 802.3 的其中一個(gè)元素,當(dāng)設(shè)計(jì)必須采用分立式PHY,那么,在選擇PHY 時(shí)應(yīng)牢記一些重要標(biāo)準(zhǔn)。
隨著數(shù)字化更深地融入我們生活的方方面面,不同設(shè)備和機(jī)器之間持續(xù)交換的數(shù)據(jù)量也在不斷增加。特別是在工業(yè)領(lǐng)域,傳統(tǒng)的通信技術(shù)開(kāi)始達(dá)到極限,而以太網(wǎng)(本例中為工業(yè)以太網(wǎng))開(kāi)始成為新的標(biāo)準(zhǔn)。借助以太網(wǎng),可以在長(zhǎng)達(dá)100米的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)千兆級(jí)的較高數(shù)據(jù)速率,如果使用光纖電纜,甚至能達(dá)到幾千米。
以太網(wǎng)是IEEE 802.3中規(guī)定的一種接口規(guī)范。以太網(wǎng)物理(PHY)層是IEEE 802.3的其中一個(gè)元素。它是一種收發(fā)器組件,用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)或以太網(wǎng)幀。在OSI模型中,以太網(wǎng)覆蓋第1層(物理層)和第2 層(數(shù)據(jù)鏈路層)的一部分。
物理層指定電信號(hào)類(lèi)型、信號(hào)速率、介質(zhì)和連接器類(lèi)型以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹R蕴W(wǎng)PHY可以映射到該層中,如表1 所示。
表 1 OSI 模型
PHY構(gòu)成物理接口,負(fù)責(zé)對(duì)純數(shù)字系統(tǒng)和信號(hào)傳輸介質(zhì)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼。因此,它代表著接口的數(shù)字連接層和電子連接層之間的橋梁。
數(shù)據(jù)鏈路層定義在介質(zhì)上進(jìn)行通信的方式,以及傳輸和接收消息的幀結(jié)構(gòu)。這意味著,它定義著如何排列來(lái)自線路的位來(lái)從位流中提取數(shù)據(jù)。在以太網(wǎng)中,這稱(chēng)為介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC),它緊鄰著PHY,但在數(shù)據(jù)鏈路層中。MAC通常會(huì)集成到控制器或開(kāi)關(guān)中。
PHY可以是分立元件,也可以集成到以太網(wǎng)控制器中。圖1的簡(jiǎn)化框圖中顯示了所需的以太網(wǎng)組件和分立式PHY。
如果設(shè)計(jì)必須采用分立式PHY,那么在選擇PHY時(shí)應(yīng)牢記幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
1 選擇工業(yè)PHY時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)
在工業(yè)應(yīng)用中,數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)必須能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持高度可靠性并具有故障安全功能。所有組件均需如此。
(1)網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間
網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間是控制器收集和更新所連器件的數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。具有低延遲的PHY可以縮短網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間,從而改善網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間,對(duì)于時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用,這一點(diǎn)至關(guān)重要。這樣一來(lái),便可以將更多器件連接到網(wǎng)絡(luò)。
(2)抗干擾能力/穩(wěn)健性
工業(yè)應(yīng)用中的工作環(huán)境通常都很惡劣。PHY會(huì)直接連接至或通過(guò)小型磁性元件連接至電纜,這些連接可能帶來(lái)干擾(輻射或傳導(dǎo)),所以PHY必須要能夠耐受常見(jiàn)的外部條件。
圖 1 以太網(wǎng)連接的簡(jiǎn)化框圖
CISPR 32、IEC 61000-4-2至IEC 61000-4-6等EMC標(biāo)準(zhǔn)可以作為衡量PHY規(guī)范的基準(zhǔn)??煽康腜HY有助于通過(guò)認(rèn)證,以及避免通常較為繁瑣的重新設(shè)計(jì)工作。
(3)損耗和溫度范圍
用于工業(yè)應(yīng)用的器件通常采用IP65/IP66等級(jí)的防塵和防潮保護(hù),這限制了用于冷卻電子器件的氣流。同時(shí), 工業(yè)應(yīng)用中的器件常常需要承受高溫環(huán)境。此外,在線形和環(huán)形拓?fù)渲校ǔP枰褂脙蓚€(gè)以太網(wǎng)連接,因此也就需要兩個(gè)PHY,這使得與數(shù)據(jù)輸入和輸出相關(guān)的PHY損耗翻倍。所以,應(yīng)選擇具有低損耗的PHY,以更大限度地降低器件的自發(fā)熱。
ADI公司在開(kāi)發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)PHY時(shí)非常重視各項(xiàng)工業(yè)要求,并推出了多款可靠的PHY,包括ADIN1200 (10 Mbps/100 Mbps) 、 ADIN1300 (10 Mbps/100 Mbps/1 Gbps)和ADIN1100 (10BASE-T1L),以補(bǔ)充和完善其工業(yè)以太網(wǎng)ADI Chronous?產(chǎn)品系列。
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