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2021 OEM
工業以太網

10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps雙通道、低功耗工業以太網PHY

  2021年07月07日  

  評估和設計支持

  電路評估板

  CN-0506電路評估板(EVAL-CN0506-FMCZ)

  設計和集成文件

  原理圖、布局文件、物料清單

  電路功能與優勢

  圖1所示電路是一種雙通道、低延遲、低功耗的以太網物理層(PHY)卡,支持10 Mbps、100 Mbps和1000 Mbps速度,適合于采用線形和環形網絡拓撲的工業以太網應用。

  雙通道支持常用于工業檢測、控制和分布式控制系統的線形和環形網絡拓撲。ADIN1300以太網PHY針對電磁兼容性(EMC)和靜電放電(ESD)魯棒性進行了廣泛的測試,并支持自動協商,能夠以宣傳的最高通用速度與遠程PHY器件鏈接。PHY中的IEEE 1588時間戳降低了實時應用中的時序不確定性,并增強了冗余和實時應用的鏈路損耗檢測。

  該電路由兩個獨立的10 Mbps、100 Mbps和1000 Mbps PHY組成,每個PHY均有一個高能效以太網(EEE) PHY內核及所有相關的通用模擬電路、輸入輸出時鐘緩沖、管理接口、子系統寄存器、媒介訪問控制(MAC)接口和控制邏輯。

  該設計由主機現場可編程門陣列(FPGA)夾層卡(FMC)開發板供電,無需外部電源。軟件可編程時鐘支持媒介獨立接口(MII)、精簡MII (RMII)和精簡千兆位MII (RGMII) MAC接口模式。集成磁性元件的RJ45端口使解決方案盡可能緊湊。

  該解決方案在千兆速度下支持最長150米電纜,在100 Mbps或10 Mbps速率下支持最長180米電纜。該解決方案通常用于環形或總線拓撲。ADIN1300的自動協商特性允許以支持的最高速度與其他PHY器件連接。

圖1.EVAL-CN0506-FMCZ簡化框圖(未顯示解耦和所有連接)

  電路描述

  以太網

  以太網是局域網(LAN)中數據網絡應用最常見的基于分組的物理連接類型,由電氣電子工程師協會(IEEE) 802.3標準的多個小節和規范定義。

  以太網具有不同的速度和傳輸媒介。但是,本電路筆記的重點是直通或交叉、5e類(CAT5e)或6類(CAT6)雙絞線電纜上的10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。

  線形和環形網絡拓撲

  典型工業以太網網絡采用線形或環形拓撲進行部署。與星形網絡相比,線形和環形網絡拓撲的布線長度更短,而且環形網絡還有一條冗余路徑(參見圖2)。連接至線性或環形網絡的每個設備都需要兩個以太網端口,以便沿網絡傳遞以太網幀。

圖2.線形和環形拓撲

  PHY

  PHY是實現開放系統互連(OSI)模型的物理層功能的物理接口收發器。PHY對器件之間發送和接收的數據進行編碼和解碼,從而保持幀和數據包的完整性(參見圖3)。

  PHY硬件配置—綁定電阻

  可以將ADIN1300配置為上電就緒以建立鏈路。此PHY硬件配置使用外部綁定電阻,為非托管應用中的上電操作提供一個已知配置。在非托管應用中,用戶通常不會在管理數據輸入輸出(MDIO)上配置PHY。相反,非托管應用依賴PHY硬件配置以適當的配置啟動ADIN1300,從而準備好與遠程PHY伙伴鏈接。當ADIN1300上電時,硬件綁定引腳在器件退出復位狀態時進行采樣,這樣PHY器件便知道如何配置各種功能。

  本電路筆記關注的硬件配置模式是速度、PHY地址、自動媒介相關接口交叉(Auto-MDIX)和MAC接口。EVAL-CN0506-FMCZ包含多種尺寸的電阻以支持各種組合,并有一個特定的默認配置。如果需要更改默認硬件配置,可以插入或卸下電阻元件。

  有關使用其他特性和功能(例如高能效以太網(EEE)、能量檢測關斷、關斷速度和軟件關斷)的更多信息,請查閱ADIN1300數據手冊。

圖3.帶有PHY器件的典型網絡傳感器

  物理層—MAC接口

  MAC接口是CN-0506上的有線媒介,有三個MAC接口選項:RGMII、RMII或MII。RGMII支持所有速度,最高為1000 Mbps,而MII和RMII分別支持10 Mbps和100 Mbps。RGMII是CN0506的默認接口。

  選擇使用哪種MAC接口有兩種方法:通過硬件綁定外部電阻,或使用軟件寄存器配置。MACIF_SEL0和MACIF_SEL1是ADIN1300內的多功能引腳(更多信息參見ADIN1300數據手冊)。對于CN-0506,可以根據表1配置MACIF_SEL0和MACIF_SEL1引腳以選擇MAC接口。請注意,MACIF_SEL0和MACIF_SEL1引腳內部有弱下拉電阻。因此,如果沒有外部綁定電阻,則默認MAC接口為2 ns延遲的RGMII。

  表1.MAC接口選擇

  在本電路筆記中,MAC接口選擇通過軟件配置完成,即使用ADIN1300中的GE_RGMII_CFG和GE_RMII_CFG寄存器。如果用戶更愿意在硬件中配置MAC接口,板上也為外部上拉和下拉電阻預留了空間。但是,由于未安裝電阻,故EVAL-CN0506-FMCZ上的PHY使用默認RGMII接口上電。

  PHY地址

  有四個PHY地址引腳(PHYAD_x),允許用戶將PHY配置為16個PHY地址中的任何一個。PHY尋址使得系統可以從單個控制器獲得多達16個獨立可控通道。

  EVAL-CN0506-FMCZ當前已硬連線為特定地址,但可以通過更改每個通道的配置電阻來改變。通道1當前分配的地址為0001,通道2當前分配的地址為0010。

  可編程MAC接口時鐘

  ADIN1300具有三個MAC接口選項:MII、RMII或RGMII。對于RGMII和MII接口,ADIN1300需要25 MHz的時鐘,而RMII需要外部50 MHz的時鐘。在用戶應用中,用戶可以選擇將25 MHz晶振放在XTAL_I和XTAL_O引腳附近,或者對于使用RMII的情況,主機控制器、MAC接口或交換芯片可以直接向PHY提供所需的50 MHz時鐘。

  EVAL-CN0506-FMCZ包括兩個從100 kHz到125 MHz的I2C可編程時鐘(Y1和Y2),以支持ADIN1300不同MAC接口的相應時鐘需求。

  默認情況下,上電時每個通道的時鐘設置為25 MHz。使用RMII MAC接口時,可以將時鐘編程為50 MHz。

  兩個時鐘具有相同的I2C地址,但通過使用I2C地址轉換器LTC4316,這些時鐘可以分別編程為彼此不同的地址。LTC4316對傳入的地址進行XOR運算,將每個傳入的位轉換為由芯片的電阻分壓器網絡設置的用戶可配置轉換字節。

  MDI接口—集成磁性元件

  通常,MDI接口通過變壓器和RJ45連接器將ADIN1300連接到以太網。CN-0506使用集成磁性元件的RJ45連接器。RJ45連接器中集成的磁性元件通??梢愿纳齐姶鸥蓴_(EMI)屏蔽,并且尺寸較小,與使用分立磁性元件相比,所需的走線布線更短。

  集成磁性元件包括RJ45連接器、共模扼流圈、隔離變壓器、LED、解耦電容和端接電阻。由于設計中的過壓要求不同,或者如果特定EMI需要不同布局,設計可以選擇使用分立磁性元件。

  電源

  為了減少電源數量,ADIN1300、MDIO和MAC接口的模擬電路電源通過鐵氧體磁珠從FPGA的3.3 V供電軌獲取,以減少進入系統的噪聲。

  ADIN1300的數字內核需要0.9 V電源。該電源是在板上利用LT3502脈沖寬度調制(PWM)降壓DC-DC轉換器從3.3 V供電軌獲取;轉換器將FPGA的3.3 V電源轉換為0.9 V,消耗的載波功率最大為0.45W。

  軟件概述

  提供給CN-0506使用的FPGA參考設計獨立配置每個ADIN1300。每個PHY (ADIN1300)連接到指定的MAC接口,ADIN1300和FPGA之間支持三種接口模式:RGMII、MII和RMII。

  每種模式都有單獨的硬件設計語言(HDL),因為某些模式需要轉換器,例如千兆MII (GMII)轉RGMII。工作模式須在HDL中選擇,以與用戶希望在Linux中使用的模式一致。

  EVAL-CN0506-FMCZ連接到標準低引腳數(LPC) FMC連接器,軟件設計可移植到許多不同的FPGA開發板上。

  不同模式和載波組合支持的Linux設備樹可以在CN0506 HDL頁面上找到。有關ADI公司標準Linux鏡像的更多信息,參見FPGA鏡像用戶指南。

  電路板布局考量

  以太網信號布局至關重要,尤其是在千兆速度下。信號以100Ω受控阻抗對的形式路由到RJ45插孔。

  以較低時鐘速率運行時,到載波的數據和時鐘信號具有邊沿速率,要求小心布局。EVAL-CN0506-FMCZ上的信號應保持盡可能短,連接CN-0506時必須仔細考慮載板上的信號走線長度和阻抗匹配。這些因素對CN-0506的整體速度和性能很重要,但必須分別考慮。

  圖4顯示了從V2到V1的1000BASE-T最大下降點——98.7%。

圖4.峰值PHY差分輸出電壓

  性能結果

  使用CN-0506進行了一些測試,包括模式驗證測試、速度測試和電纜長度驅動測試。

  EVAL-CN0506-FMCZ在不同模式下進行了測試,電纜長度逐漸增加。4米電纜和154米電纜的結果已在表2和表3中分別詳細列出,沒有丟包。

  表2和表3分別顯示了短電纜傳輸和長電纜傳輸情況下本地和遠程以太網PHY位置上ADIN1300的幀檢查器計數寄存器(FC_FRM_CNT_H和FC_FRM_CNT_L)和接收錯誤計數寄存器(RX_ERR_CNT)的回讀值。

  表2.使用4米電纜的EVAL-CN0506-FMCZ評估系統

  表3.使用154米電纜的EVAL-CN0506-FMCZ評估系統

  常見變化

  如果應用不需要高達1000 Mbps的速度,可使用功耗更低的單端口以太網收發器ADIN1200,其最高速度為100 Mbps。

  關于I2C總線轉換器的替代產品,LTC4317是一款單輸入、雙輸出I2C地址轉換器,而LTC4318是一款雙輸入輸出I2C總線轉換器。

  如果應用不需要RMII支持,則僅使用一個固定頻率的25 MHz晶振可簡化時鐘方案。

  電路評估與測試

  數據完整性和帶寬在工業網絡中至關重要。數據回送測試可以驗證整個系統,包括EVAL-CN0506-FMCZ、電纜和連接器。有關設置和測試的完整詳細信息,參見CN0506用戶指南。

  設備要求

  需要以下設備:

  ? EVAL-CN0506-FMCZ電路評估板

  ? CAT6以太網電纜

  ? ZC706 FPGA開發板

  ? SD卡

  ? 帶有USB A型加密狗的無線鍵盤和鼠標

  ? 微型USB OTG適配器

  ? 高清多媒體接口(HDMI)公對公電纜

  ? HDMI監視器

  ? ADI公司Linux鏡像,配置為與CN0506一起使用

  開始使用

  按照適用于Zynq和Altera SoC的AD-FMC-SDCARD快速入門指南中的詳細說明準備SD卡,包括以下內容:

  1. 下載最新的FPGA Linux鏡像。

  2. 格式化SD卡。

  3. 將FPGA Linux鏡像燒錄到SD卡。

  4. 將CN-0506的boot.bin和設備樹文件復制到SD卡的引導分區中。

  功能框圖

  圖5所示為測試設置的功能框圖。

圖5.測試設置功能框圖

  設置

  請執行以下步驟來設置測試:

  1. 使用LPC FMC連接器將EVAL-CN0506-FMCZ安裝到ZC706 FPGA開發板上,并用10mm支柱將其固定。

  2. 將預先配置的SD卡插入Xilinx ZC706。

  3. 在兩個RJ45以太網插孔之間連接以太網電纜,以建立回送。

  4. 在HDMI監視器和Xilinx ZC706之間連接HDMI電纜。

  5. 將微型USB OTG適配器插入Xilinx ZC706的微型USB端口。

  6. 使用USB A型加密狗將無線鍵盤和鼠標連接到USB OTG適配器。

  7. 將電源連接器連接至Xilinx ZC706,并將另一端插入壁式電源適配器。

  測試

  在回送模式下測試系統,即生成大量數據,并將數據從一個通道發送到另一個通道,然后送回來。

  圖6顯示了EVAL-CN0506-FMCZ電路評估板的實物照片。

圖6.EVAL-CN0506-FMCZ電路評估板

  有關測試設置以及如何使用EVAL-CN0506-FMCZ的完整信息和細節,請參閱CN0506用戶指南。

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