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Techniques

Simplifier la connectivité Ethernet des processeurs basse consommation

Par Maurice O’Brien, responsable Marketing stratégique, et Volker E. Goller, ingénieur d’application système, Analog Devices

Publication: 3 novembre

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Un émetteur-récepteur MACPHY 10BASE-T1L...
 

Cet article explique comment connecter un nombre accru d’appareils de terrain ou en périphérie de réseau basse consommation en utilisant un émetteur-récepteur 10BASE-T1L sur couches MAC-PHY. Nous verrons également dans quelles situations il est recommandé d’utiliser un émetteur-récepteur MAC-PHY de préférence à un modèle PHY conforme à la norme 10BASE-T1L, et comment ces composants répondent aux exigences des futures installations d’automatisation industrielle et d’immotique connectées à un réseau Ethernet.

Généralités

Répondant à la nécessité de connecter davantage d’appareil à des réseaux Ethernet, les cas d’utilisation de la technologie Ethernet 10BASE-T1L à paire unique, parmi lesquelles l’Ethernet-APL (couche physique avancée), continuent de s’imposer dans les applications d’automatisation des processus, des usines et des bâtiments (immotique). Cette hausse du nombre d’appareils connectés se traduit par la transmission d’ensembles de données plus riches aux systèmes de gestion de niveau supérieur, avec à la clé une augmentation significative de la productivité, doublée d’une réduction des coûts d’exploitation et de la consommation d’énergie. Le déploiement des réseaux Ethernet sur le terrain ou en périphérie a pour but de connecter tous les capteurs et actionneurs à des réseaux informatique/opérationnel (IT/OT) convergents. Mais pour concrétiser cette vision, il est nécessaire de relever des défis sur le plan de l’ingénierie des systèmes ; en effet certains de ces capteurs sont pénalisés par des contraintes de consommation d’énergie et d’encombrement. Le marché des microcontrôleurs basse et ultra-basse consommation dotés d’importantes capacités de mémoire interne est en plein essor pour les applications utilisant des capteurs et des actionneurs. Mais la plupart de ces processeurs ont un point commun : sans circuit Ethernet MAC intégré, ils ne peuvent prendre en charge une interface Ethernet indépendante du média physique, qu’elle soit du type MII (Media Independent Interface), RMII (Reduced Media Independent Interface) ou RGMII (Reduced Gigabit Media Independent Interface). Un composant PHY traditionnel ne peut être connecté à ces processeurs.

Pourquoi utiliser un émetteur-récepteur MAC-PHY 10BASE-T1L ?

Pour assurer une connectivité Ethernet longue portée avec un nombre accru d’appareils basse consommation, un émetteur-récepteur MAC-PHY 10BASE-T1L s’avère nécessaire. Avec ce composant, la connectivité Ethernet avec le processeur est assurée via une interface SPI, ce qui réduit la charge imposée au processeur en évitant d’intégrer un contrôleur MAC. À présent, la fonctionnalité MAC (Media Access Control) est directement intégrée au composant PHY 10BASE-T1L. Avec un émetteurrécepteur MAC-PHY 10BASE-T1L, les architectes bénéficient d’une flexibilité accrue et d’un choix élargi avec un large éventail de processeurs basse consommation. En optimisant le partitionnement des applications, un émetteur-récepteur MAC-PHY 10BASE-T1L permet d’utiliser des appareils de terrain peu gourmands en énergie ainsi que de les déployer dans des applications à sûreté intrinsèque en zone 0, grâce à une technologie utilisée dans l’industrie des procédés sous l’appellation Ethernet- APL. Dans le domaine de l’immotique, un émetteurrécepteur MAC-PHY permettra de connecter davantage d’appareils basse consommation à un réseau Ethernet. Les applications immotiques incluent les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC), les appareils de détection d’incendie et de contrôle d’accès, les caméras IP, les ascenseurs et la surveillance conditionnelle.

MAC-PHY 10BASE-T1L et filtrage avancé des paquets

L’intégration de la fonctionnalité MAC dans un émetteurrécepteur PHY 10BASE-T1L offre de nouvelles caractéristiques pour optimiser le trafic Ethernet sur le réseau. Un émetteur-récepteur MAC-PHY 10BASE-T1L avec fonction de filtrage avancé des paquets réduira de manière significative les tâches de gestion du trafic de types broadcast (diffusion) et multicast (multidiffusion) tout en dégageant le processeur de l’exécution de cette tâche. La possibilité de filtrer les paquets par l’adresse MAC de destination est capitale. Au lieu d’une seule adresse MAC, un émetteur-récepteur MAC-PHY peut prendre en charge le filtrage en utilisant jusqu’à 16 adresses MAC unicast (monodiffusion) ou multicast. En outre, le masquage d’adresse est assuré pour deux adresses MAC, ce qui confère un haut degré de liberté, grâce à la possibilité de filtrer l’adresse de l’appareil, ainsi que les adresses multicast couramment supportées (protocole LLDP (Link Layer Discovery Protocol), par exemple). La prise en charge d’une file d’attente supplémentaire pour les niveaux de priorité supérieurs permet d’accélérer la diffusion de certains messages et, par conséquent, d’améliorer la latence et la robustesse. La priorité d’une trame peut être identifiée par la table de filtrage MAC. Par exemple, les messages de diffusion peuvent être envoyés à une file d’attente de priorité inférieure et les messages unicast vers la file d’attente de priorité supérieure afin d’éviter de surcharger le récepteur par un flux excessif de diffusions ou une pointe de trafic. Ces fonctions de filtrage MAC-PHY permettent d’obtenir des dispositifs robustes avec un flux de données optimisé. Les statistiques relatives aux trames sont également recueillies par le contrôleur MAC en vue de faciliter la surveillance du trafic réseau et la qualité de la liaison (voir la Figure 1).

Le contrôleur MAC de l’émetteur-récepteur MAC-PHY est également conforme à la norme de synchronisation IEEE 1588, et donc 802.1AS, comme l’exige l’automatisation des processus. L’émetteur-récepteur MAC-PHY prend en charge un compteur synchronisé, une fonction d’horodatage des messages reçus, et la capture de l’horodatage des messages émis. Ces fonctionnalités permettent de simplifier de façon significative la conception logicielle, dans la mesure où aucun support matériel supplémentaire n’est nécessaire pour mettre en oeuvre la synchronisation au-delà du bloc MAC-PHY proprement dit. Le contrôleur MAC peut générer une forme d’onde de sortie calée sur le compteur synchronisé, qu’il est possible d’utiliser pour synchroniser des opérations externes au niveau applicatif. L’interface SPI est compatible avec l’interface série MAC-PHY 10BASE-T1x de l’Open Alliance. Cette interface est un nouveau protocole SPI haute efficacité, spécifiquement conçu pour être associé à un émetteur-récepteur MAC-PHY.

Quand utiliser un émetteur-récepteur MAC-PHY 10BASE-T1L ou PHY 10BASE-T1L ?

L’utilisation d’émetteurs-récepteurs PHY 10BASE-T1L et MAC-PHY 10BASE-T1L apporte des avantages significatifs dans différents scénarios. Pour les applications où la consommation est un paramètre critique, un émetteurrécepteur MAC-PHY 10BASE-T1L apporte une plus grande flexibilité dans le choix du processeur hôte, en permettant notamment d’utiliser un processeur très peu gourmand sans contrôleur MAC intégré. En cas de mise à niveau vers Ethernet d’un dispositif existant, un émetteur- récepteur MAC-PHY 10BASE-T1L permet de réutiliser le processeur existant et d’ajouter la connectivité Ethernet via un port SPI, évitant ainsi d’installer un processeur plus encombrant embarquant un contrôleur MAC.

S’agissant des applications haute performance où un appareil de terrain ou en périphérie de réseau nécessite un puissant processeur embarquant potentiellement un contrôleur MAC, un émetteur-récepteur PHY 10BASET1L avec interfaces MAC MII, RMII et RGMII permettra de développer rapidement un émetteur-récepteur PHY 10BASE-T1L en réutilisant les pilotes d’interface MAC existants pour ajouter la connectivité Ethernet (voir Figure 2).

Flexibilité accrue pour les futures installations de process connectées à un réseau Ethernet

Avec la disponibilité des références 10BASE-T1L PHY (ADIN1100) et MAC-PHY (ADIN1110), les architectes disposent à présent d’une flexibilité accrue pour répondre aux exigences des futures installations industrielles dotées d’une connectivité Ethernet. Des circuits très basse consommation et de haute performance peuvent être déployés sur le même réseau Ethernet tout en respectant les très strictes limites d’alimentation qui caractérisent les applications en zone dangereuse. Les commutateurs d’alimentation 10BASE-T1L et les commutateurs de terrain 10BASE-T1L requièrent des circuits PHY 10BASE-T1L robustes et sobres utilisés avec des commutateurs Ethernet industriels pour déployer une topologie de réseau à ligne principale et lignes secondaires (« trunk-and-spur ») qui transmet à la fois l’alimentation et les données sur un unique câble à paire torsadée (STP), y compris dans les zones à risque.

La connectivité des appareils de terrain nécessite à la fois des émetteurs-récepteurs PHY 10BASE-T1L et MACPHY 10BASE-T1L pour permettre à une large gamme d’appareils de bénéficier de la connectivité Ethernet. Les appareils de terrain de forte puissance, tels que les débitmètres, utiliseront un processeur haute performance avec contrôleur MAC intégré doté d’une puce PHY 10BASE-T1L. En revanche, les appareils de terrain basse consommation, parmi lesquels les capteurs de température architecturés autour d’un processeur très basse consommation sans contrôleur MAC, opteront pour une puce MAC-PHY 10BASE-T1L pour assurer la connectivité Ethernet via une interface SPI reliée au processeur (Figure 3).

Comparaison des caractéristiques clés des émetteurs-récepteurs PHY 10BASET1L et MAC-PHY 10BASE-T1L

Commercialisé par ADI sous la référence ADIN1110, l’émetteur-récepteur MAC-PHY 10BASE-T1L assure une connectivité Ethernet basse consommation via une interface SPI reliée à un processeur hôte avec une consommation de seulement 42 mW. L’ADIN1110 est compatible avec l’interface série MAC-PHY 10BASE-T1x de l’Open Alliance pour des communications SPI en duplex intégral à la fréquence d’horloge de 25 MHz. Pour sa part, l’émetteur-récepteur PHY 10BASE-T1L ADIN1100 d’ADI assure une connectivité Ethernet basse consommation via les interfaces MAC MII, RMII et RGMII avec un processeur hôte, moyennant une consommation d’énergie de seulement 39 mW (le tableau 1 compare les caractéristiques des références ADIN1100 et ADIN1110). Ces deux produits s’appuient sur les capacités 10BASE-T1L d’un schéma de communications point à point, équilibré en courant continu et fonctionnant en full-duplex avec modulation PAM 3, débit symboles de 7,5 MBauds et codage 4B3T. Avec le second mode d’amplitude (1,0 V crête à crête), cette nouvelle technologie de couche physique peut également être déployée dans un environnement où sont utilisés des systèmes antidéflagrants (codification « Ex-proof ») tout en respectant des plafonds de consommation d’énergie stricts.

Grâce à une couche physique Ethernet de 10 Mbits (10BASE-T1L) combinée à une alimentation électrique (Engineered Power/PoDL/SPoE) sur deux fils jusqu’à 1 km, de nouveaux types d’appareils connectés à Ethernet pourront générer des informations précieuses qui sont désormais plus facilement accessibles via un réseau Ethernet IT/OT convergent. Ces nouvelles informations permettront d’accroître la productivité et de réduire la consommation d’énergie dans les applications d’automatisation industrielle et de process. Dans les applications d’immotique, ces nouvelles informations permettront d’atteindre de plus hauts niveaux d’efficacité énergétique, de sécurité et de confort. En conséquence, un émetteur-récepteur MAC-PHY 10BASE-T1L accélèrera la disponibilité de appareils basse consommation.

https://www.analog.com/

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