面向低時(shí)延工業(yè)以太網(wǎng)的Marvell PHY 產(chǎn)品

　　以太網(wǎng)在企業(yè)級市場(chǎng)中得到了廣泛應用—我們對于它在辦公環(huán)境中的應用都非常熟悉，但是IEEE 802.3 系列標準總在不斷的演進(jìn)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )自身也面臨著(zhù)一些挑戰，以太網(wǎng)及其組成部分也在不斷的演進(jìn)中以應對工廠(chǎng)車(chē)間的需求。能提供低時(shí)延、增強靜電放電(ESD)保護性能的同時(shí)，還能夠在更寬的溫度范圍中運行的硬件互聯(lián)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )應用中是非常重要的。Marvell 的88E1510P/88E1512P/88E1510Q 系列 PHY(物理層器件)產(chǎn)品，從最開(kāi)始就是與工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)導者合作共同進(jìn)行設計，并已在最嚴苛的工業(yè)應用中得到了測試和驗證。

　　如今，有很多通信協(xié)議已被應用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中，包括 EtherNet/IP、 EtherCAT、 Profinet 和 SERCOS III。他們來(lái)自于不同供應商的獨立和專(zhuān)有的解決方案，但都有共同的目標，也就是在嚴苛的環(huán)境條件下，將實(shí)時(shí)以太網(wǎng)帶到工業(yè)自動(dòng)化應用中。典型工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的組成部分包括可編程邏輯控制器(PLC)、電機控制器及驅動(dòng)、傳感器網(wǎng)絡(luò )以及人機交互界面(HMI)。這些元素通過(guò) EtherCAT 或 Profinet等協(xié)議連接到以太網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò )中，其網(wǎng)絡(luò )拓撲結構可能是放射型(星形)或線(xiàn)形。不管是什么樣的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，其目標都在于為每一個(gè)節點(diǎn)提供精確的控制和同步的時(shí)鐘信息。如果拓撲結構是長(cháng)形的菊花鏈，那么每一個(gè)點(diǎn)都需要最優(yōu)的時(shí)延性能來(lái)實(shí)現系統中快速的需求/反應循環(huán)時(shí)間。

　　圖標一： 使用EtherCAT / Profinet 協(xié)議的典型工業(yè)網(wǎng)絡(luò )連接

　　尋找低時(shí)延PHY?

　　EtherCAT 這樣的協(xié)議需要處理以太網(wǎng)數據包，在處理報文的時(shí)候，需要同步修改報文內容，并將新的內容添加至報文中。在實(shí)時(shí)應用中，這對于交換芯片和PHY的時(shí)延有極大的限制?？紤]到這個(gè)需求，我們在設計 Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列PHY產(chǎn)品時(shí)，針對一線(xiàn)工業(yè)客戶(hù)的嚴格時(shí)延要求進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的設計。下面的表格顯示，相比于未經(jīng)優(yōu)化的應用，Marvell 低時(shí)延PHY的傳輸速度快了30%~40%。

　　圖二：100BASE-TX中RGMII運行模式下的默認發(fā)送和接收時(shí)延(ns)

　　上表中的數據顯示了默認配置的測試數據，在寄存器配置優(yōu)化的情況下可獲得更低的時(shí)延。在整個(gè)范圍內，發(fā)送和接收時(shí)延的總值低于400ns。如下表：

　　圖三：通過(guò)寄存器編程可實(shí)現低于400ns的總體時(shí)延

　　觀(guān)測到的微小的延遲抖動(dòng)(從最小到最大)取決于發(fā)送路徑中的同步電路。一般來(lái)說(shuō)，FIFO(先進(jìn)先出隊列)被應用在發(fā)送路徑中來(lái)補償發(fā)送電路和接收電路之間的任何PPM頻率差異。根據數據包大小和FIFO中輸入的數量，可看到時(shí)延的抖動(dòng)非常小。

　　(請注意：當PHY用于基于精確時(shí)間協(xié)議(PTP)的時(shí)間戳應用時(shí)，FIFO的出現不會(huì )影響時(shí)間戳的準確性。時(shí)間戳處理靠近網(wǎng)線(xiàn)這端，避免了FIFO不確定性的影響。)

　　滿(mǎn)足未來(lái) 1000BASE-T 的要求

　　雖然100BASE-TX 的速度足以滿(mǎn)足今天大部分工廠(chǎng)應用的需求，但對于支持1000BASE-T的需求仍在不斷增長(cháng)。由于工業(yè)設備和網(wǎng)絡(luò )的安裝要求大量的資金投入，采用不會(huì )過(guò)時(shí)的、可滿(mǎn)足1000BASE-T網(wǎng)絡(luò )數據要求的PHY設備非常重要。Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列 PHY 產(chǎn)品可支持10BASE-T、 100BASE-TX 和 1000BASE-T標準。1000BASE-T 模式下時(shí)延范圍的測試結果如下：

　　圖四：在 1000BASE-T 下觀(guān)察到的總體時(shí)延也低于400ns

　　較寬的工業(yè)級溫度范圍和ESD支持

　　在工業(yè)環(huán)境中，要控制工廠(chǎng)的地面溫度非常困難，而周?chē)脑O備也在高溫環(huán)境中運行，且難以進(jìn)行有效的通風(fēng)散熱。通過(guò)以太網(wǎng)連接的工業(yè)電機和機器人往往需要在高溫環(huán)境中焊接金屬，

　　圖五：PHY等以太網(wǎng)部件需要在極端溫度條件下運行

　　這要求PHY能夠在持續性高溫環(huán)境下運行(超過(guò)若干小時(shí))。Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列PHY產(chǎn)品專(zhuān)為在-40℃到85℃的環(huán)境溫度范圍內運行而設計(或最大結溫溫度Tj125℃)。

　　除了高溫之外，工業(yè)環(huán)境還可能導致機械內部電荷的累積。為了防止高電壓沖擊，Marvell PHY備有強化的ESD保護電路。我們在一些最大型的工業(yè)電子OEM的嚴格測試環(huán)境中對Marvell PHY進(jìn)行了測試，并獲得了他們對器件ESD能力的認可。

　　封裝和接口選擇

　　Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列 PHY 采用 48 引腳或 56 引腳 QFN 封裝，同時(shí)提供一系列MAC接口選項，例如RGMII、MII 和 SGMII。如需了解特定產(chǎn)品特性信息，請參看產(chǎn)品選擇導覽。

　　綜上所述，可提供增強ESD保護、低時(shí)延，并在較寬工業(yè)級溫度范圍內運行的硬件互連在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中越來(lái)越受歡迎，Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列PHY可提供這些核心優(yōu)勢，從而可部署在任何實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)中。