Ethernet pentru interconectare cu control embedded

27 MARTIE 2007

Conectivitatea şi controlul embedded
În anii ’80, când primele calculatoare personale au început să se răspândească în birourile din întreaga lume, revoluţia sistemelor de calcul a fost o mare surpriză pentru mediul industrial şi contrară tuturor aşteptărilor. Era în anii ’90, când calculatoarele au fost legate între ele (la început prin modemuri şi mici reţele de birou, iar mai târziu prin Internet), astfel încât puterea de calcul a început să producă beneficii vizibile în termeni de creştere a productivităţii activităţii de birou. Poate că un răspuns similar de funcţie treaptă trebuie aşteptat la implementarea aplicaţiilor de control embedded, după cum un număr tot mai mare de aplicaţii au început să fie conectate unele la altele, precum şi la infrastructura de calcul.

Opţiuni de interconectare

Controlerul Ethernet de la Microchip dispune de interfaţă SPI în capsulă cu 28 de pini

Când se consideră interconectarea unor module de control embedded într-o aplicaţie (precum legătura dintre un senzor de temperatură şi un controler HVAC) şi/sau între aplicaţii separate (precum legătura dintre o staţie de bază de alarmă şi un detector de fum) există o listă de posibilităţi: I2C™ şi SPI™, RS232, RS485, LIN, CAN, USB, şi bineînţeles Ethernet. Tabelul 1 prezintă sumar caracteristicile cheie ale fiecăreia dintre aceste tehnologii. Trebuie menţionat că implicaţiile utilizării interconectării wireless în controlul embedded sunt aşa de radical diferite, încât menţionarea ei este dincolo de scopul acestui articol.
Primele două opţiuni de interfaţare listate în tabelul 1 reprezintă tehnologii seriale sincrone bine cunoscute şi larg acceptate: I2C şi SPI. Amândouă sunt capabile de o viteză de transfer relativ mare, iar simplitatea şi implementarea lor economică sunt probabil cele mai bune avantaje
ale lor. Pe de altă parte, niciuna dintre aceste două interfeţe nu a fost cu adevărat proiectată să ofere conexiuni în afara domeniului unei singure
aplicaţii PCB sau, în cel mai bun caz, a unei aplicaţii în carcasă.
Ele oferă protecţie redusă sau chiar deloc la medii zgomotoase sau ESD, şi nici nu sunt pregătite pentru izolare electrică. Oricum, RS232, RS422, şi RS485 au fost utilizate mai adesea la acest nivel de interconectare, pentru că ele au fost proiectate de la început cu filtrarea zgomotului şi cu o distanţă acoperită mai mare.

Caracteristici:
RS232 utilizează semnale cu tensiuni relativ mari, necesitând sursă de ±12V
RS422 oferă semnale diferenţiale pentru a ajuta la filtrarea zgomotului de mod comun.
RS485 oferă capacitate de interconectare multiplă şi adresabilitate limitată oferită printr-un al 9-lea bit adăugat fluxului serial. LIN şi CAN provin din lumea industriei auto, dar sunt din ce în ce mai mult acceptate şi în mediile de control embedded non-auto datorită unora dintre caracteristicile lor distinctive: LIN seamănă foarte mult cu RS232, dar eliberează proiectantul de necesitatea unei surse de ceas de precizie. În schimb, LIN se bazează pe o tehnică simplă de autodetectare a vitezei de transfer, reducând astfel costurile şi sporind robusteţea.
CAN este apreciată în special pentru viteza sa şi robusteţea integrată. Protocolul de nivel jos, proiectat iniţial de Bosch, a fost completat de pachete de protocoale de nivel înalt special proiectate pentru aplicaţii auto, dar putând fi utilizate pentru control industrial (ca şi caracteristicile DeviceNet™).
În final, USB şi Ethernet reprezintă influenţa sistemelor de calcul asupra dispozitivelor de control embedded. Dintre cele două, USB a jucat până acum rolul dominant, el fiind succesorul tuturor conexiunilor la calculatorul
personal, înlocuind porturile paralele, seriale, porturile pentru unităţile floppy, pentru mouse şi tastatură. Complexitatea sa relativ redusă şi preţul scăzut fac din USB candidatul ideal pentru majoritatea aplicaţiilor, iar recent disponibilitatea de microcontrolere flash ieftine cu interfaţă integrată Full Speed USB, a făcut posibilă apariţia de soluţii de control embedded pe un singur cip.

Infrastructură
Dar în ciuda popularităţii USB, Ethernet-ul dispune de cel mai mare potenţial în revoluţionarea interconexiunii embedded. De fapt, omniprezenţa infrastructurii de reţea creează o oportunitate fenomenală: cabluri, hub-uri şi switch-uri sunt instalate aproape în orice clădire, casă, birou sau fabrică. Legarea de această infrastructură oferă un uriaş potenţial din punct de vedere al eficienţei, reducerii de costuri şi dezvoltării de aplicaţii noi.nEthernet dispune de capacităţi de adresare enorme, permiţând ca miliarde de dispozitive să fie conectate împreună. Ethernet, şi mai exact specificaţiile sale 10BaseT şi 100BaseT,
permit dezvoltări foarte economice (prin utilizarea tehnologiei ieftine twisted-pair) şi prin proiectare, oferă numeroase caracteristici
mult dorite ca:
Înaltă imunitate la zgomot, prin utilizarea semnalizării prin diferenţiere;
Izolaţie de linie de până la 1500V prin utilizarea de transformatoare mici, adesea integrate în conectorul RJ45;
Operare în tensiune joasă;
Viteză ridicată (10 – 100 Megabiţi/secundă sau mai mult);

Caracteristicile Ethernet dictează necesitatea pentru două
componente de interfaţare: un MAC (Media Access Controller) şi un PHY (Physical transceiver). MAC-ul este un dispozitiv complet digital, responsabil cu sincronizarea fluxului de date în mediu (decide când sunt transmise şi recepţionate datele şi de cine). PHY analogic completează
translaţia datelor în nivele de semnal potrivite pentru mediul de transfer ales (în cazul de faţă twisted pair). Până de curând foarte puţine interfeţe Ethernet erau disponibile pentru proiectarea de dispozitive de control embedded, şi acestea gândite pentru industria sistemelor de calcul PC.
Dispozitivele de interfaţare pe 8-biţi şi 16-biţi erau protejate în capsule mari cu sute de pini şi necesitau o aplicaţie pentru a dedica 24 sau mai multe I/O pentru emularea unei magistrale PC ISA.
Recent, câţiva producători de microcontrolere şi-au îndreptat atenţia către lumea controlului embedded şi au remarcat nevoia de o mai mare flexibilitate şi de soluţii dedicate. Unii au ales să integreze componenta MAC pe o arhitectură de microcontroler standard pe 8 sau 16-biţi, oferind o soluţie mai compactă.
Alţii au integrat atât MAC, cât şi PHY într-un dispozitiv de interfaţare cu număr redus de pini, numit controler Ethernet. Aceste tipuri de controlere sunt caracterizate tipic de un buffer RAM de 8 Kbyte şi o interfaţă simplă SPI care permite întregului dispozitiv să încapă în capsule cu număr redus
de pini (28 pini). (vezi figura din pagina 1)

Consideraţii cu privire la costuri
Introducerea de controlere Ethernet cu număr redus de pini, care realizează conectarea la Ethernet prin interfaţă SPI, standard pentru
toate microcontrolerele mici, are implicaţii profunde. În primul rând este relaţia costului total al conexiunii Ethernet, care este fundamental schimbată. În trecut, costul unor MAC şi PHY separate reprezenta numai o parte a costului total pentru interfaţarea la Ethernet. O mare parte din costul aplicaţiei era dictat indirect, ca o consecinţă a necesităţii pentru magistrală ISA. Cerinţe mari de I/O erau combinate cu cerinţe mari de memorie RAM, ca tampon pentru pachetele de date Ethernet, memorie din RAM-ul microcontrolerului utilizat în aplicaţie. Erau de asemenea cerute performanţe ridicate de procesare pentru gestionarea transferurilor de date de la buffer-ele de recepţie şi transmisie, sau pentru controlul erorilor şi filtrarea mesajelor din datele care sosesc. În final, pentru implementarea de
soluţii cu capsule mari şi multi-cip este necesar un spaţiu de placă mare.
Prin urmare, acolo unde erau necesare odată procesoare scumpe pe 16-biţi cu resurse mari de RAM şi I/O, este acum posibil de realizat o combinaţie dintre un controler Ethernet cu cip single şi un microcontroler
pe 8 biţi foarte mic cu 18- sau chiar 14- pini, şi RAM on-board. Consideraţiile de cost deschid posibilitatea unor noi clase de aplicaţii
embedded economice, care să profite de avantajul tehnologiei şi infrastructurii Ethernet.

Consideraţii de performanţă
Implementarea cea mai economică de standard Ethernet, cunoscută ca 10BaseT (IEEE802.3i) oferă performanţe de 10Mbit/s, comparabile cu Full Speed USB, şi mai mare decât oricare altă soluţie prezentată în Tabelul 1.

Tabel 1 Caracteristici cheie de interconectare

În mediile de birou, platforma uzuală este 100BaseT (IEEE802.3u) cu performanţe de 100Mbit/s. Este important de observat că cele două standarde sunt interoperabile, aceasta însemnând că dispozitivele ieftine 10BaseT pot fi conectate direct la o infrastructură 100BaseT fără a cauza degradarea performanţelor reţelei, datorită utilizării de switch-uri moderne în locul huburilor. În mod curent, switch-urile 10/100
baseT costă mai puţin de 1$ pe port şi sunt uzual utilizate în locul hub-urilor, datorită caracteristicilor lor superioare. Într-o vastă majoritate de aplicaţii de control embedded, nu este necesară performanţa 100BaseT, iar 10BaseT este suficientă şi oferă avantajele unui consum energetic redus.

PoE (Power over Ethernet)
Una dintre tendinţele cele mai recente este încercarea de standardizare a metodelor de distribuire de putere prin Ethernet – PoE. De
fapt, utilizarea de transformatoare mici pentru izolare electrică în standarde 10/100 baseT şi disponibilitatea de perechi suplimentare de cabluri torsadate pe toate cablurile standard, oferă două alternative simple şi ieftine pentru adăugarea economică la infrastructura existentă a capacităţii de transport de putere. Această alternativă reprezintă un bonus pentru proiectanţii de sisteme de control embedded, sursele de tensiune locale fiind înlocuite cu unităţi centralizate mai eficiente. Prin eliminarea necesităţii de cabluri de alimentare de putere, pot fi dezvoltate noi aplicaţii în locuri în care, anterior, nu existau surse de putere sau nu era economică utilizarea lor.

Rezumat
Ethernet-ul oferă un număr de avantaje interesante pentru proiectanţii de control embedded, printre care robusteţe, viteză şi
posibilitatea de legare la o infrastructură uriaşă deja instalată. Noile soluţii revoluţionare de tip single-chip, şi oportunitatea dată de PoE, reduc barierele tradiţionale din calea utilizării Ethernet în controlul embedded, iar
proiectanţii primesc provocarea de utilizare a acestor noi tehnologii în vederea dezvoltării de noi produse inovative cu beneficiile considerabile
date de conectivitatea embedded.

Notă: SPI este marcă înregistrată a Motorola Inc. I2C este marca înregistrată a Philips Corporation. DeviceNet este marcă înregistrată a ODVA. Toate celelalte mărci înregistrate menţionate aici sunt proprietatea companiilor lor.

www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre