为关键的时间敏感型应用简化单对以太网网络的实现

高速实时以太网通信对于工业自动化和汽车系统中时间敏感型应用越来越重要。在满足这类应用的要求时，传统的多对以太网往往因其不确定的性能、笨重的电缆线束和较高的功耗而显得力不从心。

较有效的解决方案依赖于单对以太网 (SPE) 标准，它们能提供简化的物理层 (PHY)，但可能在长电缆传输距离和功能安全就绪性方面带来性能挑战，同时也存在与获取有效设计资源相关的实现挑战。工程师需要一种全面的解决方案，既能满足实时 SPE 网络的严格性能要求，又能加快实现速度。

本文概述了关键性、时间敏感性应用的设计人员所面临的联网要求和相关问题，尤其是在工业和汽车领域。然后介绍了 Microchip Technology 的 SPE 解决方案，包括以太网 PHY 收发器、评估板和相关设计资源，可帮助设计人员应对在实现符合标准的 SPE 网络系统时遇到的新挑战。

关键应用需求如何推动对实时以太网的需要

实时以太网在许多关键的工业和汽车应用中发挥着越来越重要的作用。在工业物联网 (IIoT) 和工业控制系统中，传感器、控制器和执行器之间的高精度协调需要有像 IEEE 1588 精确时间协议 (PTP) 这样的协议支撑起确定性通信网络。在汽车应用中，包括高级驾驶辅助系统 (ADAS)、信息娱乐和远程信息处理子系统，可靠的实时数据交换需要能承受车辆环境的极端条件。

无论是在工厂车间还是在车内，对时间敏感的网络都必须保证低而有界的延迟、高容错性和最小抖动。保持跨设备同步的能力至关重要，尤其是在毫秒级响应时间对系统运行和安全至关重要的环境中。与此同时，网络解决方案必须适应制造单元或车辆底盘中网络子系统的有限空间。

如何满足时间敏感、空间有限的应用对网络的要求

根据 IEEE 802.3bw (100BASE-T1) 和 IEEE 802.3bp (1000BASE-T1) 标准，SPE 适用于工业和汽车应用中的千兆位以太网 (GbE)，已成为传统以太网的简化物理层替代。SPE 支持时间敏感型应用的严格要求，同时降低了电缆复杂性和系统成本。然而，尽管具有这些优势，基于 SPE 的网络设计人员在集成合适的设备和确保其功能安全就绪方面仍面临挑战。

Microchip Technology 的 LAN8872 1000BASE-T1 SPE PHY 收发器（图 1）和相关设计资源可在实现符合标准的 SPE 网络时帮助开发人员应对这些新出现的挑战。LAN8872 集成了完整的 PHY 子系统，包括物理编码子层 (PCS)、有限状态机 (FSM)、模拟前端 (AFE)、低压差 (LDO) 稳压器、电压监控、片上终端和集成滤波。

图 1：LAN8872 提供的是一个集成式 1000BASE-T1 PHY 收发器，包括 PCS、LDO 稳压器、电压监控、AFE、FSM、片上终端和集成滤波等完整功能。（图片来源：Microchip Technology）

LAN8872 内置对 IEEE 1588-2019 和 IEEE 802.1AS-2020 精密时钟同步协议标准的支持，与实时以太网的音视频桥接 (AVB) 和 IEEE 802.1 时间敏感网络 (TSN) 标准完全兼容。LAN8872 的确定性定时功能可帮助开发人员在多个系统间保持紧密同步，其能源管理功能即使在恶劣环境下也能满足人们对稳健低功耗连接的需求。

简化低功耗 SPE 网络设计

LAN8872 采用了 Microchip 的 EtherGREEN 节能技术，能够让器件在超低功耗睡眠模式下实现仅 15 微安 (μA) 的典型消耗。该器件支持 OPEN Alliance 技术委员会 10 (TC10) 标准的远程休眠和唤醒机制，可识别休眠请求并响应 WAKE_IN 脉冲唤醒。其 INH 输出允许器件启用或禁用电子控制单元 (ECU) 电源。LAN8872 内置 Microchip 的 FlexPWR 电源管理技术，通过可变 I/O 和核心电源电压进一步节约能源。

LAN8872 的高度集成进一步简化了设计。除了广泛的集成功能外，其片上终端电阻器与集成传输滤波功能相结合，使得解决方案具有紧凑的尺寸和较低的电磁干扰 (EMI)。对于系统级集成，LAN8872 具有参考时钟输出和标准串行千兆位介质独立接口 (SGMII)，简化了与以太网媒体访问控制器 (MAC) 或具有 MAC 功能的设备的接口，包括片上系统 (SoC)、单片机 (MCU) 和现场可编程门阵列 (FPGA)（图 2）。

图 2：开发人员只需几个额外的组件，即可在其 SPE 网络解决方案中集成 LAN8872 PHY 收发器。（图片来源：Microchip Technology）

LAN8872 符合 IEEE 802.3bp-2016 标准要求，旨在用于通过单一对线提供千兆位的性能，同时支持关键工业和汽车网络中的故障排除。该器件有助于网络诊断，其特性包括短路或开路电缆缺陷检测、接收器信号质量指示器 (SQI)、过热保护、欠压保护、全状态中断支持以及各种环回和测试模式。

加速基于 LAN8872 的 SPE 解决方案的设计

为了加快设计和开发，Microchip 提供了评估板，以满足不同开发人员的要求。为了方便系统级设计测试和验证，Microchip 的 EV75E52A EVB-LAN8870-MC 评估板（图 3）提供了一个完整的媒体转换器，可以桥接 1000BASE-T1 和标准千兆位以太网。开发人员只需将一根 CAT5 以太网电缆从 GbE 端口连接到电路板的 RJ-45 接口，然后将一根双绞线从 SPE 网络连接到电路板的 T1 汽车以太网接口。

图 3：EV75E52A EVB-LAN8870-MC 评估板提供了一个完整的媒体转换器，用于测试将 SPE 网络与千兆位以太网连接起来的设计。（图片来源：Microchip Technology）

对于专注于评估 PHY 功能的开发人员，Microchip 的 EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII 板（图 4）提供了一个具有直接 PHY 接口的完整 PHY 子系统。

图 4：EV39G24A EVB-LAN8870-RGMII 板为 SPE 设计中的 PHY 评估提供了完整的 PHY 子系统。（图片来源：Microchip Technology）

EVB-LAN8870-RGMII 板（图 5 左）设计用于通过其 PHY 接口连接器连接 Microchip 以太网开发系统 (EDS) 板，包括 EV88E76A EVB-LAN7801-EDS 和 EVB-LAN7431-EDS（图 5 右）。

图 5：开发人员可以将 EVB-LAN8870-RGMII PHY 板（左）插入 EVB-LAN7431-EDS 等 EDS 板（右），通过开发主机驱动程序访问所有 PHY 寄存器。（图片来源：Microchip Technology）

使用 EVB-LAN8870-RGMII 板的开发人员可以通过在 Windows 或 Linux 主机上运行的 EDS 板驱动程序访问所有 PHY 寄存器。使用 EVB-LAN8870-MC 的用户可通过基于 Windows 的图形用户界面 (GUI) 软件包配置和监控收发器性能。

为了帮助加快定制 SPE 设计的开发，Microchip 提供了全面的参考原理图和配置指南，以及广泛的软件生态系统，以支持 LAN8872 集成。驱动程序适用于 Linux、FreeRTOS 和 AUTOSAR 等流行平台。Microchip 的 MPLAB Harmony 嵌入式软件开发框架包括集成驱动程序、外设库和代码配置器支持，简化了 LAN8872 PHY 设计的配置和测试。

除这些开发资源外，Microchip 还提供免费的 MicroCHECK 设计复查服务，为从概念到布局的每个实现阶段提供直接帮助。通过 MicroCHECK 服务，开发人员可以提交他们的原理图和印刷电路板（PC 板）布局供专家审查，并获得有关信号完整性、电源分配和是否符合推荐设计实践的可行反馈。通过在早期设计阶段使用 MicroCHECK 服务，开发人员可以最大限度地降低生产过程后期出现物理层相关实现问题的风险。

在典型的开发工作流程中，开发人员首先使用 Microchip 的参考板评估其设计中的 PHY 功能。在目标环境中验证 PHY 性能和行为后，他们可以利用参考原理图和布局建议将 PHY 集成到定制设计中。在提交进行原型构建之前，他们可将设计提交给 MicroCHECK 审查，以确保其实现稳健且可投入生产。

结语

随着实时以太网在越来越多的工业和汽车应用中变得必不可少，开发人员面临的压力也越来越大，需要实现紧凑、符合标准、低功耗的网络解决方案。Microchip 的 LAN8872 1000BASE-T1 PHY 以全面的资源和专家项目审查支持为后盾，帮助大家加速完成确保可靠、高性能 SPE 连接所需的设计开发。