Autores: Maurice O’Brien, Strategic Marketing Manager, y Volker E. Goller, Systems Application Engineer.

Introducción

En este artículo se explica cómo conectarse a un mayor número de dispositivos de instrumentación o de la periferia de bajo consumo con el MAC-PHY de Ethernet de un único par (10BASE-T1L). Además, se detalla cuándo utilizar únicamente la capa física frente al MAC-PHY y cómo estos sistemas cumplen con los requisitos del ahora y del mañana de las instalaciones de edificios y de plantas de fabricación.

Antecedentes

Los casos de uso del Ethernet de un único par 10BASE-T1L, incluyendo Ethernet-APL, siguen expandiéndose en distintas aplicaciones como procesos, fábricas y automatización de edificios empujados por la necesidad de conectar cada vez más dispositivos a redes Ethernet. Conectar un mayor número de dispositivos permite que los sistemas de gestión de nivel superior dispongan de conjuntos de datos más completos y ricos, implicando aumentos de productividad considerables así como reduciendo los costes de operación y por tanto, su consumo.

La visión de Ethernet para dispositivos de la periferia o de instrumentación es conectar todos los sensores y actuadores posibles a una red convergente IT/OT. Para conseguirlo se necesitan superar retos de ingeniería de sistemas, ya que muchos de estos sensores tienen restricciones de consumo o tamaño. En este sentido, existe un gran portfolio de microcontroladores de bajo y ultra bajo consumo con suficiente capacidad de memoria para aplicaciones de sensores y actuadores. Sin embargo, la mayoría tienen una carcaterística en común: al no tener la capa MAC integrada, no soportan interfaces independientes de los medios como MII, RMII o RGMII. Y, por tanto, no se pueden conectar a capas físicas (PHY) tradicionales.

Por qué usar un MAC-PHY para 10BASE-T1L

Con la intención de dotar de conectividad Ethernet de larga distancia a un mayor número de dispositivos de bajo consumo, es necesario utilizar un MAC-PHY 10BASE-T1L. Con el MAC-PHY, se dota al dispositivo de conectividad Ethernet a través de un SPI, reduciendo así la sobrecarga del procesador ya que no tiene la MAC integrada. De esta forma, los diseñadores tienen una mayor flexibilidad a la hora de seleccionar procesadores de bajo consumo.

Optimizando esta partición, el MAC-PHY 10BASE-T1L permite implementar dispositivos de bajo consumo para la zona 0 (intrínsecamente segura) a través de lo que se conoce en la industria de procesos como Ethernet-APL. Lo mismo ocurre en aplicaciones de edificios inteligente, donde el MAC-PHY permite añadir un mayor número de dispositivos conectados a través de Ethernet en aplicaciones como HVAC, sistemas contra incendios, control de accesos, cámaras IP, ascensores o CMS.

Filtrado de Paquetes Avanzado

La integración de la MAC junto con la capa física añade nuevas capacidades para optimizar el tráfico dentro de la red Ethernet. Un MAC-PHY con filtrado de paquetes avanzado. Este filtrado permite reducir la sobrecarga de tratar los mensajes boardcast y multicast, liberando de dicha tarea al procesador.

Filtrar por la dirección MAC de destino es clave. Sin embargo, en lugar de utilizar una única dirección MAC, un MAC-PHY puede realizar el filtrado usando una lista de hasta 16 direcciones unicast o multicast, dando un gran grado de libertad filtrando tanto por dispositivo como por direcciones multicast como por ejemplo LLDP (Link Layer Discovery Protocol). Además, es posible priorizar algunos mensajes, mejorando así la latencia y la robustez de la comunicación, ya que puede utilizar una cola adicional para altas prioridades. La prioridad de la trama puede identificarse mediante la tabla de filtrado MAC. Por ejemplo, se pueden clasificar los mensajes broadcast como baja prioridad y mantener como alta prioridad los unicast para prevenir que el receptor se sobrecargue con un pico o aumento de tráfico broadcast. Gracias a estas características, el MAC-PHY es idóneo para dispositivos robustos frente a carga de red. También se recopilan estadísticas de tramas para ayudar a la supervisión del tráfico y la calidad del enlace (ver Figura 1).

La capa MAC soporta además el estándar IEEE 1588, y por tanto la sincronización de tiempo del 802.1AS requerido en automatización de procesos. El MAC-PHY proporciona soporte para un contador sincronizado, marca de tiempo en mensajes recibidos y captura de la marca de tiempo para mensajes transmitidos – reduciendo así la complejidad del diseño software ya que no se necesita apoyo hardware para implementar la sincronización. La capa MAC puede generar una forma de onda sincronizada con el contador que se puede usar para sincronizar operaciones externas a nivel de aplicación. Además de todo ello, la interfaz SPI soporta el interfaz serie para MAC-PHY 10BASE-T1x de la Open Alliance – un protocolo SPI nuevo y muy robusto diseñado específicamente para su uso en los MAC-PHY.

Cuándo usar solo la capa física, o también la MAC

Tanto el PHY 10BASE-T1L como el MAC-PHY 10BASE-T1L poseen ventajas significativas en diferentes casos de uso. En el caso de aplicaciones donde la autonomía sea crítica, ya se ha comentado que el MAC-PHY tiene mayores ventajas ya que aumenta la flexibilidad a la hora de elegir procesador de bajo consumo, sin necesidad de integrar la capa MAC. Además, cuando se necesita mejorar un dispositivo añadiéndole conectividad Ethernet, el MAC-PHY 10BASE-T1L permite reutilizar el procesador, y por tanto el diseño existente, únicamente añadiendo la conectividad con un puerto SPI. De esta forma, se evita tener que coger un procesador mayor con MAC integrada.

Sin embargo, para aplicaciones donde los dispositivos necesitan una alta carga de procesamiento, es preferible seleccionar un procesador de alto rendimiento con MAC integrada, facilitando la integración con un PHY 10BASE-T1L con interfaces como MII, RMII o RGMII. En este caso, se reutilizarían los drivers MAC existentes (ver Figura 2)

Figura 2. Comparación de ventajes del MAC-PHY frente al PHY para conectividad 10BASE-T1L.

Aumento de flexibilidad para instalaciones de proceso del futuro conectadas a Ethernet

Con la disponibilidad de tanto el PHY (ADIN1100) como el MAC_PHY (ADIN1110) de 10BASE-T1L, ahora los diseñadores tienen una flexibilidad mayor a la hora de cumplir los requisitos de las instalaciones de procesos del mañana. Se pueden desplegar en la misma red Ethernet tanto dispositivos de bajo consumo como de alto rendimiento, y a la vez cumplir con los estrictos requisitos de limitación de consumo en entornos de riesgo. Con el objetivo de proveer potencia y datos sobre un único par de cable, los switches de potencia y datos 10BASE-T1L necesitan PHYs robustos y de bajo consumo para poder desplegar topologías de red en Árbol de Ethernet Industrial (trunk and spur), incluyendo aplicaciones en áreas de alto riesgo.

Los dispositivos de campo, necesitan de ambos (10BASE-T1L PHY y MAC-PHY) para dotar de conectividad Ethernet a un amplio rango de dispositivos. Los dispositivos de campo de mayor consumo, incluyendo caudalímetros, utilizarán un procesador de alto rendimiento con MAC integrado, y el PHY 10BASE-T1L. Por el contrario, dispositivos de campo de bajo consumo como sensores de temperatura, utilizarán un procesador de muy bajo consumo sin MAC integrada y, por tanto, necesitarán un MAC-PHY 10BASE-T1L para dotar de conectividad Ethernet al dispositivo mediante un interfaz SPI (ver Figura 3).

Comparación de características principales del PHY 10BASE-T1L y MAC-PHY 10BASE-T1L

El ADIN1110, el MAC-PHY 10BASE-T1L de ADI, permite dotar de conectividad Ethernet a un procesador a través de interfaz SPI con tan sólo 41mW de consumo. Además, soporta el interfaz serie 10BASE-T1x de la Open Alliance, una interfaz SPI full-duplex a una frecuencia de reloj de 25MHz. El ADIN1100, el PHY 10BASE-T1L de ADI, permite conectividad de bajo consumo a través de interfaces MAC como MII, RMII y RGMII con un consumo de tan sólo 39mW – ver en Tabla 1 la comparación entre el PHY y el MAC-PHY.

Ambos productos se basan en las capacidades de 10BASE-T1L – comunicación full-duplex, balanceada y punto a punto con modulación PAM 3 con una velocidad de símbolo de 7.5MBd con codificación 4B3T. 10BASE-T1L soporta dos modos de amplitud: 2.4V pico-pico hasta 1km de cable, y 1.0V pico-pico para distancias más reducidas. Este último modo puede utilizarse en entornos a prueba de explosiones y cumple con las estrictas restricciones de energía máxima.

Tabla 1. Comparación del PHY ADIN1100 y MAC-PHY ADIN1110

Figura 3. Topología en árbol para automatización de procesos con PHY 10BASE-T1L y MAC-PHY 10BASE-T1L.

Resumen

Una capa física de Ethernet a 10Mb combinada con entrega de alimentación (PoDL/SPoE) en 2 hilos, a una distancia de 1km, permite desarrollar nuevos dispositivos conectados a Ethernet que generan información de alto valor y accesibles a través de una red de convergencia IT/OT. Estas nuevas posibilidades permitirán una mayor productividad y una reducción de consumo de energía en aplicaciones de automatización de fábricas y procesos; y en aplicaciones de automatización de edificios, permitirán mayores niveles de eficiencia energética así como seguridad y confort. Y como resultado, el MAC-PHY 10BASE-T1L acelerará la disponibilidad de dispositivos de bajo consumo para estas aplicaciones.

Para más información sobre las soluciones de Ethernet Industrial del portfolio Chronous™ y cómo están acelerando la transición a las redes del mundo real de Ethernet Industrial, vista por favor la web analog.com/chronous