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工业乙太网演进的PHY解决方案
因应工业环境挑战

【作者: Winnie Wu】2017年11月09日 星期四

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现代工业环境充斥着复杂的自动化与制造技术,网路连接是使其基本运作的关键所在。工业网路通常包括可程式设计逻辑控制器(PLC)、电机控制和驱动、以及感测器网路与人机介面(HMI)。乙太网技术将工业网路中的所有节点连接起来,在网路上传递精确控制和同步时钟等资讯。装配线高速机器人是工厂应用乙太网的一个例子,透过即时协调节点移动,确保成品以完好无缺的方式包装。



图1 : (source: pensacolastate.edu)
图1 : (source: pensacolastate.edu)

与在办公网路的企业应用中部署乙太网不同,工业网路有更多不良的物理与电子环境,而这带来了一系列特殊的挑战。乙太网元件和IEEE 802.3系列标准正在不断发展,以满足工厂间的特殊需求。高温的环境、突波电压、严格的低延迟要求与不断成长的网路速度是工业级乙太网PHY(实体层设备或者收发器)必须解决的关键挑战。


在极端环境中工作

在工业环境中,温度很难控制,因为透过乙太网连接的电机和机器人通常必须在非常高的温度下焊接金属,此外,工厂的建筑结构也难以提供良好的通风条件。为满足工业环境的需求,PHY必须被设计成在很宽广的温度范围内能够发挥出其额定性能。例如,工业乙太网PHY应能够在-40。C至85。C的温度范围内工作,可承受125。C的半导体温度,即使环境温度持续数小时高温也能保持性能不变。


除了在高温下工作,PHY还应能承受高压突波。机械设备有时会突然聚积电荷,损坏部件并导致工业系统出现故障。透过增强静电放电(Electrostatic Discharge; ESD)保护电路,PHY可以适当保护工业环境免受电荷波动的破坏。



图2 : (source: Belden)
图2 : (source: Belden)

在工业环境中实现高性能乙太网的另一个挑战是,即时应用对延迟有非常严格的限制。在线性菊花链拓朴中,每个节点的延迟要非常小,才能保证整个网路满足快速请求和回应周期时间要求。为满足工业网路的即时要求,PHY应具备低延迟和确定性延迟特性。在菊花链下低延迟能实现更快的回应,而确定性延迟实现跨网路单元的精确定时同步。与未经最隹化的方案相比,最隹化後的PHY能够将延迟降低30%至40%,并提高效率和效能。


满足不断成长的网路速度要求是工业PHY的另一个关键特性。虽然百兆的速度足以满足当今大多数工厂应用的需求,但是要求能够支援千兆电介面的需求越来越多。由於工业设备和网路的安装成本很高,因此PHY设备能够支援高达千兆的网路速度要求,以适应未来的解决方案。


工业解决方案的现状和未来

工厂变得更加智慧以及网路化,而一些专家认为第四次工业革命正在发展。然而随着不断出现的工业创新,显示出在工厂中维持高性能互相联接变得越来越重要。连接延迟、中断或故障皆可能使生产减缓甚至停产,而导致收入损失。不受恶劣工厂条件影响的硬体连接,对於工业网路而言非常有价值。


Marvell的88E1512P、88E1510Q和88E1548P PHY系列产品专为满足即时工业乙太网的严格要求而设计,可用於千兆独立和交换系统的快速开发和部署。Marvell的PHY系列解决方案提供增强静电放电(ESD)保护、低延迟和确定性延迟特性,并具备在扩展温度范围内工作的能力,保证工业网路能够长期保持性能稳定。


Marvell的收发器符合1000BASE-T、100BASE-TX和10BASE-T标准,满足工厂目前和未来的网路速度要求。该系列还支援采用新一代MAC的节能乙太网(EEE,Energy Efficient Ethernet)。这系列PHY产品提供48管脚、56管脚QFN封装或196管脚TFBGA封装,以及各种主机介面选择,例如RGMII、MII和SGMII。


此外,Marvell也提供配合PHY产品系列的Prestera和Link Street交换器晶片和ARMADA嵌入式系统晶片。


(本文作者Winnie Wu任职Marvell 产品行销总监)


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