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工业以太网概述方案简介

姚琳?? EDN China?? 2009年07月31日 ?? 收藏0

  工业以太网产品必须与其他联网设备集成才能真正发挥技术优势,已经有一些厂商推出“工业联网解决方案”,如研华公司提出了“Connect to the eWorld”以及“Ethernet links anywhere”的工业设备联网解决方案。

  工业以太网交换机和控制器

  针对工业以太网应用场合,SMSC公司提供了PHY芯片LAN8700iC-AEZG和LAN8187i。这些PHY芯片的ESD等级为±15KV,可传输电缆长度为150米,兼容10/100Base-T,工作温度范围-40~+85℃,集成的1.8V~3.3V稳压器可实现单电源工作,flexPWR技术用于功率管理,根据IEEE 802.3ab标准提供HP Auto-MDIX功能,自动极性检测,支持自动协商和并行检测(图2)。

PHY芯片LAN8700iC-AEZG的功能框图
图2,PHY芯片LAN8700iC-AEZG的功能框图。

  SMSC公司的交换机芯片有LAN9313i和LAN9311i。(LAN9313i是三端口工业级以太网交换芯片,LAN9311i是双端口芯片,具有IEEE 1588硬件时间戳单元,非常适合小型工业应用场合,工作温度范围-40℃~+85℃。可通过SPI/I2C或SMI接口进行管理,独特的虚拟PHY功能将多个端口模仿成一个端口,提供QoS包优先级、速率限制、IGMP Snooping和管理功能。
Micrel的解决方案包括PHY芯片KSZ8721Bi和KSZ8721BLi,此两款芯片均为10/100 BASE-TX/FX工业级PHY芯片,提供LED指示输出。KSZ 8993MLI是3端口10/100 BASE-T工业级非网管型交换芯片,KSZ 8893FQ/MB/MQi这三款芯片均为3端口10/100BASE-T工业级网管交换芯片。

  和商用以太网交换机类似,工业以太网交换机也分为网管型和非网管型,且多为二层交换机。工业以太网交换机硬件主要由接口、交换和控制模块组成,目前有多种实现方案。交换模块主要由PHY和交换芯片组成(也有集成了PHY和交换芯片在一起的),控制模块通常由主控处理芯片以及外围电路组成,也有FPGA厂商提供一些ASIC/ASSP以优化和提高工业交换机的灵活性。典型的应用框图如图1。

  MCF5223x系列68K/ColdFire器件是单芯片解决方案,可以提供32位控制和以太网接口。223x将10/100快速以太网控制器(FEC)和以太网物理层(PHY)与V2 ColdFire内核整合到了一起,以合理的价格实现了出色的性能。MCF5223x系列整合了标准68K/ColdFire外设,包括:三个通用异步接收器/发射器(UART),用于实现中/长距离连接;一个I2C和队列SPI,用于实现与连接外设的系统通信。

  在工业以太网交换机中采用主控处理器可以实现更为复杂的协议控制等功能。针对相对简单和低端的应用,可以采用Atmel基于ARM9系列的AT91SAM9xx系列,以及Freescale基于Coldfire的MCF5223x系列,均有多款工作温度范围为-40 ~ +85℃的芯片。

  针对更为复杂控制处理功能,可以使用Freescale基于Power PC的MPC7XX和MPC8XX,这是工业级高性能网络处理的典型处理器。以上方案全部采用工业级芯片,端口配置适中,软硬件设计方案和技术支持比较成熟,性价比较高。

  工业以太网PoE功能实现

  在工业以太网中附加PoE功能更能突显PoE技术的优势。一个完整的PoE供电系统包括PSE(Power sourcing equipment 和PD(Powered Device)两部分。PSE是为PD端供电的设备,同时也是整个PoE以太网供电过程的管理者,而PD设备则是接受PSE供电的负载。在PoE系统中,PSE首先会检测PD终端是否为一个支持IEEE 802.3af或者IEEE802.3at标准的受电设备,然后对其进行优先级分类;在供电过程中,PSE会先向PD提供一个小电压,然后逐步提升到48V的稳定直流电;当PD从网络上断开或遇到PD设备过载、短路、超过PSE的供电负荷时,PSE会断开电源并再次启动检测过程。PD通过自己的接口控制电路和DC-DC转换电路将PSE 提供的电源转换成PD设备所需的电源。图3是一个POE系统的典型框图,客户可以根据需要决定采用数据对还是空闲对传送。

PoE系统实现框图
图3,PoE系统实现框图。

  PD控制器可采用National Semiconductor的LM5072MH-50和LM5072MH-80、TI公司的TPS23754、Maxim公司的MAX5941AESE+T、MAX5942AESE+T和MAX5942BESE+T。

  目前,各主流芯片厂商如TI、Linear Technology、NationalSemiconductor、ONSemi、MAXIM都可以提供工业级PoE 解决方案。


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