針對關鍵的時效性應用簡化單對乙太網路的實作

高速即時乙太網路通訊對於工業自動化及汽車系統中的時效性應用來說越來越重要。在因應此類應用需求時，傳統的多對乙太網路礙於非確定性效能、笨重的線束及較高的功耗，通常有所不足。

更有效的解決方案會仰賴單對乙太網路 (SPE) 標準，其提供簡化的實體層 (PHY)，但在延長纜線距離和功能性安全妥善度方面則會面臨效能挑戰，而且在有效設計資源的可用性方面也會有實作上的困難。工程師需要完善的解決方案，既要符合即時 SPE 網路的嚴格效能要求，又能加快實作速度。

本文概述關鍵時效性應用的設計人員，特別是在工業及汽車領域，所面臨的網路需求及相關問題。接著會介紹 Microchip Technology 的 SPE 解決方案，包括乙太網路 PHY 收發器、評估板及相關設計資源，以協助設計人員在實作符合標準的 SPE 網路系統時，因應其面臨的新挑戰。

關鍵應用的要求如何推動即時乙太網路的需求

即時乙太網路在許多關鍵的工業及汽車應用中的作用越來越重要。在工業物聯網 (IIoT) 與工業控制系統中，要讓感測器、控制器與致動器之間達到高精度協調，就需要透過像是 IEEE 1588 精密時間協定 (PTP) 等協定所支援的確定性通訊網路。在汽車應用中，包括先進駕駛輔助系統 (ADAS)、車用資訊娛樂系統及遠距通訊子系統，要達到可靠的即時資料交換，就必須能承受車輛環境的極端條件。

無論是在廠區或車輛內，時效性網路必須保證具有低且有界限的延遲、高容錯性以及最小的抖動。在裝置之間維持同步的能力至關重要，特別是在毫秒級反應時間對系統運作與安全性來說具有關鍵性的環境。此外，網路解決方案也要配合製造單元或車輛底盤中網路子系統的有限可用空間。

如何符合時效性且空間受限應用的網路要求

在 IEEE 802.3bw (100BASE-T1) 及 IEEE 802.3bp (1000BASE-T1) 標準的規範下，針對工業與汽車應用的 Gigabit 乙太網路 (GbE) 來說，SPE 已竄起成為傳統乙太網路的簡化型 PHY 替代方案。SPE 可支援時效性應用的嚴格要求，同時也可降低線纜的複雜度及系統成本。然而，儘管具有這些優勢，SPE 架構網路的設計人員仍會在適用裝置的整合，以及確保功能性安全妥善度方面面臨相關挑戰。

Microchip Technology 的 LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY 收發器 (圖 1) 及相關設計資源，可在實作符合標準的 SPE 網路時，支援開發人員因應這些新挑戰。LAN8872 整合了完整的 PHY 子系統，內含實體編碼子層 (PCS)、有限狀態機 (FSM)、類比前端 (AFE)、低壓降 (LDO) 穩壓器、電壓監測、晶片上終端以及整合式濾波。

圖 1：LAN8872 提供整合式 1000BASE-T1 PHY 收發器，內含 PCS、LDO 穩壓器、電壓監測、AFE、FSM、晶片上終端以及整合式濾波。(圖片來源：Microchip Technology)

LAN8872 內建對 IEEE 1588-2019 與 IEEE 802.1AS-2020 精密時脈同步協定標準的支援，可完全相容於影音橋接 (AVB) 及 IEEE 802.1 時效性網路 (TSN) 標準，適用於即時乙太網路。LAN8872 的確定性時序能力有助於開發人員在多個系統之間維持密切同步，更具有能源管理能力，可在惡劣環境中滿足對穩健低功耗連線的需求。

簡化低功耗 SPE 網路的設計

LAN8872 結合了 Microchip 的 EtherGREEN 節能技術，能讓裝置在超低功耗睡眠模式下的典型耗電量僅達 15 μA。此裝置支援 OPEN Alliance Technical Committee 10 (TC10) 標準的遠端休眠與喚醒機制，能識別休眠請求，並對 WAKE_IN 脈衝作出回應將裝置喚醒。其 INH 輸出能讓裝置啟用或停用電子控制單元 (ECU) 的供電。LAN8872 中內建 Microchip 的FlexPWR 電源管理技術，可透過可變的 I/O 和核心供電電壓進一步節能。

LAN8872 的高度整合可進一步簡化設計。除了廣泛的整合功能外，更具有晶片上終端電阻和整合式傳輸濾波的組合，能讓解決方案具備緊湊的佔地面積及低電磁干擾 (EMI)。為了達到系統級整合，LAN8872 具有參考時脈輸出及標準序列 Gigabit 媒體無關介面 (SGMII)，可簡化與乙太網路媒體存取控制器 (MAC) 或 MAC 功能裝置的介接作業，包括系統單晶片 (SoC)、微控制器單元 (MCU) 及現場可編程閘陣列 (FPGA) (圖 2)。

圖 2：開發人員只需少數的額外元件，即可將 LAN8872 PHY 收發器整合到 SPE 網路解決方案中。(圖片來源：Microchip Technology)

LAN8872 符合 IEEE 802.3bp-2016 標準，其設計可透過單對線材提供 Gigabit 效能，並在關鍵的工業與汽車網路中支援故障排除。此裝置可協助網路診斷，並具備眾多功能，包括短路或斷路的電纜缺陷偵測、接收訊號品質指示器 (SQI)、過溫保護、欠壓保護、完整的狀態中斷支援，以及多種回送與測試模式。

加速設計 LAN8872 架構的 SPE 解決方案

為了加速設計與開發，Microchip 提供符合不同開發人員需求的評估板。為了促進系統層級的設計測試與驗證，Microchip 的 EV75E52A EVB-LAN8870-MC 評估板 (圖 3) 提供完整的媒介轉換器，能橋接 1000BASE-T1 與標準 Gigabit 乙太網路。開發人員只需將 CAT5 乙太網路線從 GbE 埠連接到開發板的 RJ-45 插孔，並將一條雙絞線從 SPE 網路連接到開發板的 T1 汽車乙太網路連接器即可。

圖 3：EV75E52A EVB-LAN8870-MC 評估板可提供完整的媒體轉換器，即可針對將 SPE 網路與 Gigabit 乙太網路連接的設計進行測試。(圖片來源：Microchip Technology)

針對專注於評估 PHY 功能的開發人員，Microchip 的 EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII 評估板 (圖 4) 可提供完整的 PHY 子系統搭配直接 PHY 介面。

圖4：EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII 評估板可提供完整的 PHY 子系統，以便在 SPE 設計進行 PHY 評估。(圖片來源：Microchip Technology)

EVB-LAN8870-RGMII 評估板 (圖 5 左) 可透過其 PHY 介面連接器接至 Microchip 乙太網路開發系統 (EDS) 板，包括 EV88E76A EVB-LAN7801-EDS 及 EVB-LAN7431-EDS (圖 5 右)。

圖 5：開發人員可以將 EVB-LAN8870-RGMII PHY 板 (左) 插入像是 EVB-LAN7431-EDS (右) 等 EDS 板中，就可透過開發主機驅動程式存取所有 PHY 暫存器。(圖片來源：Microchip Technology)

開發人員可使用 EVB-LAN8870-RGMII 評估板透過 Windows 或 Linux 主機上執行的 EDS 板驅動程式來存取所有 PHY 暫存器。使用 EVB-LAN8870-MC，就可透過 Windows 架構的圖形使用者介面 (GUI) 軟體套件來配置並監測收發器的效能。

為了加快開發客製化 SPE 設計，Microchip 提供完整的公版線路圖和配置準則，並擁有廣大的軟體生態系統，可支援 LAN8872 的整合。更針對常見平台提供驅動程式，包括 Linux、FreeRTOS 及 AUTOSAR。Microchip 的 MPLAB Harmony 嵌入式軟體開發框架含有整合式驅動程式、週邊函式庫以及 Code Configurator 的支援，能簡化 LAN8872 PHY 設計的配置與測試作業。

除了這些開發資源外，Microchip 更免費提供 MicroCHECK 設計審查服務，能從概念到佈局的各個實作階段提供直接協助。透過 MicroCHECK 服務，開發人員可以送出其線路圖及印刷電路板 (PCB) 佈局讓專家進行審查，並且可針對訊號完整性、配電及建議的設計實務合規性層面，取得實實際可行的意見回饋。只要在初期設計階段就使用 MicroCHECK 服務，開發人員就可將 PHY 相關的實作問題風險降至最低，以免到後續生產過程才出現。

在典型的開發流程中，開發人員會先利用 Microchip 的參考板來評估其設計中的 PHY 功能。在目標環境中驗證 PHY 效能與行為後，就會利用公版線路圖和佈局建議，將 PHY 整合到客製化設計中。在進入原型製作之前，他們會將設計送出進行 MicroCHECK 審查，確保在實作上具有穩健性且適合量產。

結論

即時乙太網路在越來越多工業與汽車應用中成為不可或缺的要素，開發人員也面臨更大的壓力，要實作緊湊、符合標準且低功耗的網路解決方案。在全面資源與專家專案審查的支援下，Microchip 的 LAN8872 1000BASE-T1 PHY 有助於加快設計的開發，確保達到可靠且高效能的 SPE 連接。