面向低时延工业以太网的Marvell PHY 产品

 

如今，有很多通信协议已被应用于工业网络中，包括 EtherNet/IP、 EtherCAT、 Profinet 和 SERCOS III。他们来自于不同供应商的独立和专有的解决方案，但都有共同的目标，也就是在严苛的环境条件下，将实时以太网带到工业自动化应用中。典型工业网络的组成部分包括可编程逻辑控制器（PLC）、电机控制器及驱动、传感器网络以及人机交互界面（HMI）。这些元素通过 EtherCAT 或 Profinet等协议连接到以太网的主干网络中，其网络拓扑结构可能是放射型（星形）或线形。不管是什么样的网络拓扑结构，其目标都在于为每一个节点提供精确的控制和同步的时钟信息。如果拓扑结构是长形的菊花链，那么每一个点都需要最优的时延性能来实现系统中快速的需求/反应循环时间。

 

图标1： 使用EtherCAT / Profinet 协议的典型工业网络连接

 

寻找低时延PHY？

 

EtherCAT 这样的协议需要处理以太网数据包，在处理报文的时候，需要同步修改报文内容，并将新的内容添加至报文中。在实时应用中，这对于交换芯片和PHY的时延有极大的限制。考虑到这个需求，我们在设计 Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列PHY产品时，针对一线工业客户的严格时延要求进行了专门的设计。下面的表格显示，相比于未经优化的应用，Marvell 低时延PHY的传输速度快了30%~40%。

 

图二：100BASE-TX中RGMII运行模式下的默认发送和接收时延（ns）

 

上表中的数据显示了默认配置的测试数据，在寄存器配置优化的情况下可获得更低的时延。在整个范围内，发送和接收时延的总值低于400ns。如下表：

 

图三：通过寄存器编程可实现低于400ns的总体时延

观测到的微小的延迟抖动（从最小到最大）取决于发送路径中的同步电路。一般来说，FIFO（先进先出队列）被应用在发送路径中来补偿发送电路和接收电路之间的任何PPM频率差异。根据数据包大小和FIFO中输入的数量，可看到时延的抖动非常小。

（请注意：当PHY用于基于精确时间协议（PTP）的时间戳应用时，FIFO的出现不会影响时间戳的准确性。时间戳处理靠近网线这端，避免了FIFO不确定性的影响。）

满足未来 1000BASE-T 的要求

 

虽然100BASE-TX 的速度足以满足今天大部分工厂应用的需求，但对于支持1000BASE-T的需求仍在不断增长。由于工业设备和网络的安装要求大量的资金投入，采用不会过时的、可满足1000BASE-T网络数据要求的PHY设备非常重要。Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列 PHY 产品可支持10BASE-T、 100BASE-TX 和 1000BASE-T标准。1000BASE-T 模式下时延范围的测试结果如下：

图四：在 1000BASE-T 下观察到的总体时延也低于400ns

较宽的工业级温度范围和ESD支持

 

在工业环境中，要控制工厂的地面温度非常困难，而周围的设备也在高温环境中运行，且难以进行有效的通风散热。通过以太网连接的工业电机和机器人往往需要在高温环境中焊接金属，

图五：PHY等以太网部件需要在极端温度条件下运行

这要求PHY能够在持续性高温环境下运行（超过若干小时）。Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列PHY产品专为在-40℃到85℃的环境温度范围内运行而设计（或最大结温温度Tj125℃）。

除了高温之外，工业环境还可能导致机械内部电荷的累积。为了防止高电压冲击，Marvell PHY备有强化的ESD保护电路。我们在一些最大型的工业电子OEM的严格测试环境中对Marvell PHY进行了测试，并获得了他们对器件ESD能力的认可。

封装和接口选择

Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列 PHY 采用 48 引脚或 56 引脚 QFN 封装，同时提供一系列MAC接口选项，例如RGMII、MII 和 SGMII。

综上所述，可提供增强ESD保护、低时延，并在较宽工业级温度范围内运行的硬件互连在工业网络环境中越来越受欢迎，Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列PHY可提供这些核心优势，从而可部署在任何实时的工业以太网中。