【導(dǎo)讀】圖1所示電路是一種雙通道、低延遲、低功耗的以太網(wǎng)物理層(PHY)卡，支持10 Mbps、100 Mbps和1000 Mbps速度，適合于采用線形和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓I(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用。
電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路是一種雙通道、低延遲、低功耗的以太網(wǎng)物理層(PHY)卡，支持10 Mbps、100 Mbps和1000 Mbps速度，適合于采用線形和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓I(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用。
雙通道支持常用于工業(yè)檢測、控制和分布式控制系統(tǒng)的線形和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹DIN1300以太網(wǎng)PHY針對(duì)電磁兼容性(EMC)和靜電放電(ESD)魯棒性進(jìn)行了廣泛的測試，并支持自動(dòng)協(xié)商，能夠以宣傳的最高通用速度與遠(yuǎn)程PHY器件鏈接。PHY中的IEEE 1588時(shí)間戳降低了實(shí)時(shí)應(yīng)用中的時(shí)序不確定性，并增強(qiáng)了冗余和實(shí)時(shí)應(yīng)用的鏈路損耗檢測。
該電路由兩個(gè)獨(dú)立的10 Mbps、100 Mbps和1000 Mbps PHY組成，每個(gè)PHY均有一個(gè)高能效以太網(wǎng)(EEE) PHY內(nèi)核及所有相關(guān)的通用模擬電路、輸入輸出時(shí)鐘緩沖、管理接口、子系統(tǒng)寄存器、媒介訪問控制(MAC)接口和控制邏輯。
該設(shè)計(jì)由主機(jī)現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)夾層卡(FMC)開發(fā)板供電，無需外部電源。軟件可編程時(shí)鐘支持媒介獨(dú)立接口(MII)、精簡MII (RMII)和精簡千兆位MII (RGMII) MAC接口模式。集成磁性元件的RJ45端口使解決方案盡可能緊湊。
該解決方案在千兆速度下支持最長150米電纜，在100 Mbps或10 Mbps速率下支持最長180米電纜。該解決方案通常用于環(huán)形或總線拓?fù)洹DIN1300的自動(dòng)協(xié)商特性允許以支持的最高速度與其他PHY器件連接。
圖1.EVAL-CN0506-FMCZ簡化框圖（未顯示解耦和所有連接）
電路描述
以太網(wǎng)
以太網(wǎng)是局域網(wǎng)(LAN)中數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最常見的基于分組的物理連接類型，由電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE) 802.3標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)小節(jié)和規(guī)范定義。
以太網(wǎng)具有不同的速度和傳輸媒介。但是，本電路筆記的重點(diǎn)是直通或交叉、5e類(CAT5e)或6類(CAT6)雙絞線電纜上的10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。
線形和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/div>
典型工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采用線形或環(huán)形拓?fù)溥M(jìn)行部署。與星形網(wǎng)絡(luò)相比，線形和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟季€長度更短，而且環(huán)形網(wǎng)絡(luò)還有一條冗余路徑（參見圖2）。連接至線性或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)設(shè)備都需要兩個(gè)以太網(wǎng)端口，以便沿網(wǎng)絡(luò)傳遞以太網(wǎng)幀。
圖2.線形和環(huán)形拓?fù)?/div>
PHY
PHY是實(shí)現(xiàn)開放系統(tǒng)互連(OSI)模型的物理層功能的物理接口收發(fā)器。PHY對(duì)器件之間發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼，從而保持幀和數(shù)據(jù)包的完整性（參見圖3）。
PHY硬件配置—綁定電阻
可以將ADIN1300配置為上電就緒以建立鏈路。此PHY硬件配置使用外部綁定電阻，為非托管應(yīng)用中的上電操作提供一個(gè)已知配置。在非托管應(yīng)用中，用戶通常不會(huì)在管理數(shù)據(jù)輸入輸出(MDIO)上配置PHY。相反，非托管應(yīng)用依賴PHY硬件配置以適當(dāng)?shù)呐渲脝?dòng)ADIN1300，從而準(zhǔn)備好與遠(yuǎn)程PHY伙伴鏈接。當(dāng)ADIN1300上電時(shí)，硬件綁定引腳在器件退出復(fù)位狀態(tài)時(shí)進(jìn)行采樣，這樣PHY器件便知道如何配置各種功能。
本電路筆記關(guān)注的硬件配置模式是速度、PHY地址、自動(dòng)媒介相關(guān)接口交叉(Auto-MDIX)和MAC接口。EVAL-CN0506-FMCZ包含多種尺寸的電阻以支持各種組合，并有一個(gè)特定的默認(rèn)配置。如果需要更改默認(rèn)硬件配置，可以插入或卸下電阻元件。
有關(guān)使用其他特性和功能（例如高能效以太網(wǎng)(EEE)、能量檢測關(guān)斷、關(guān)斷速度和軟件關(guān)斷）的更多信息，請(qǐng)查閱ADIN1300數(shù)據(jù)手冊。
圖3.帶有PHY器件的典型網(wǎng)絡(luò)傳感器
物理層—MAC接口
MAC接口是CN-0506上的有線媒介，有三個(gè)MAC接口選項(xiàng)：RGMII、RMII或MII。RGMII支持所有速度，最高為1000 Mbps，而MII和RMII分別支持10 Mbps和100 Mbps。RGMII是CN0506的默認(rèn)接口。
選擇使用哪種MAC接口有兩種方法：通過硬件綁定外部電阻，或使用軟件寄存器配置。MACIF_SEL0和MACIF_SEL1是ADIN1300內(nèi)的多功能引腳（更多信息參見ADIN1300數(shù)據(jù)手冊）。對(duì)于CN-0506，可以根據(jù)表1配置MACIF_SEL0和MACIF_SEL1引腳以選擇MAC接口。請(qǐng)注意，MACIF_SEL0和MACIF_SEL1引腳內(nèi)部有弱下拉電阻。因此，如果沒有外部綁定電阻，則默認(rèn)MAC接口為2 ns延遲的RGMII。
表1.MAC接口選擇
在本電路筆記中，MAC接口選擇通過軟件配置完成，即使用ADIN1300中的GE_RGMII_CFG和GE_RMII_CFG寄存器。如果用戶更愿意在硬件中配置MAC接口，板上也為外部上拉和下拉電阻預(yù)留了空間。但是，由于未安裝電阻，故EVAL-CN0506-FMCZ上的PHY使用默認(rèn)RGMII接口上電。
PHY地址
有四個(gè)PHY地址引腳(PHYAD_x)，允許用戶將PHY配置為16個(gè)PHY地址中的任何一個(gè)。PHY尋址使得系統(tǒng)可以從單個(gè)控制器獲得多達(dá)16個(gè)獨(dú)立可控通道。
EVAL-CN0506-FMCZ當(dāng)前已硬連線為特定地址，但可以通過更改每個(gè)通道的配置電阻來改變。通道1當(dāng)前分配的地址為0001，通道2當(dāng)前分配的地址為0010。
可編程MAC接口時(shí)鐘
ADIN1300具有三個(gè)MAC接口選項(xiàng)：MII、RMII或RGMII。對(duì)于RGMII和MII接口，ADIN1300需要25 MHz的時(shí)鐘，而RMII需要外部50 MHz的時(shí)鐘。在用戶應(yīng)用中，用戶可以選擇將25 MHz晶振放在XTAL_I和XTAL_O引腳附近，或者對(duì)于使用RMII的情況，主機(jī)控制器、MAC接口或交換芯片可以直接向PHY提供所需的50 MHz時(shí)鐘。
EVAL-CN0506-FMCZ包括兩個(gè)從100 kHz到125 MHz的I2C可編程時(shí)鐘（Y1和Y2），以支持ADIN1300不同MAC接口的相應(yīng)時(shí)鐘需求。
默認(rèn)情況下，上電時(shí)每個(gè)通道的時(shí)鐘設(shè)置為25 MHz。使用RMII MAC接口時(shí)，可以將時(shí)鐘編程為50 MHz。
兩個(gè)時(shí)鐘具有相同的I2C地址，但通過使用I2C地址轉(zhuǎn)換器LTC4316，這些時(shí)鐘可以分別編程為彼此不同的地址。LTC4316對(duì)傳入的地址進(jìn)行XOR運(yùn)算，將每個(gè)傳入的位轉(zhuǎn)換為由芯片的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的用戶可配置轉(zhuǎn)換字節(jié)。
MDI接口—集成磁性元件
通常，MDI接口通過變壓器和RJ45連接器將ADIN1300連接到以太網(wǎng)。CN-0506使用集成磁性元件的RJ45連接器。RJ45連接器中集成的磁性元件通常可以改善電磁干擾(EMI)屏蔽，并且尺寸較小，與使用分立磁性元件相比，所需的走線布線更短。
集成磁性元件包括RJ45連接器、共模扼流圈、隔離變壓器、LED、解耦電容和端接電阻。由于設(shè)計(jì)中的過壓要求不同，或者如果特定EMI需要不同布局，設(shè)計(jì)可以選擇使用分立磁性元件。
電源
為了減少電源數(shù)量，ADIN1300、MDIO和MAC接口的模擬電路電源通過鐵氧體磁珠從FPGA的3.3 V供電軌獲取，以減少進(jìn)入系統(tǒng)的噪聲。
ADIN1300的數(shù)字內(nèi)核需要0.9 V電源。該電源是在板上利用LT3502脈沖寬度調(diào)制(PWM)降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器從3.3 V供電軌獲取；轉(zhuǎn)換器將FPGA的3.3 V電源轉(zhuǎn)換為0.9 V，消耗的載波功率最大為0.45W。
軟件概述
提供給CN-0506使用的FPGA參考設(shè)計(jì)獨(dú)立配置每個(gè)ADIN1300。每個(gè)PHY (ADIN1300)連接到指定的MAC接口，ADIN1300和FPGA之間支持三種接口模式：RGMII、MII和RMII。
每種模式都有單獨(dú)的硬件設(shè)計(jì)語言(HDL)，因?yàn)槟承┠Ｊ叫枰D(zhuǎn)換器，例如千兆MII (GMII)轉(zhuǎn)RGMII。工作模式須在HDL中選擇，以與用戶希望在Linux中使用的模式一致。
EVAL-CN0506-FMCZ連接到標(biāo)準(zhǔn)低引腳數(shù)(LPC) FMC連接器，軟件設(shè)計(jì)可移植到許多不同的FPGA開發(fā)板上。
不同模式和載波組合支持的Linux設(shè)備樹可以在CN0506 HDL頁面上找到。有關(guān)ADI公司標(biāo)準(zhǔn)Linux鏡像的更多信息，參見FPGA鏡像用戶指南。
電路板布局考量
以太網(wǎng)信號(hào)布局至關(guān)重要，尤其是在千兆速度下。信號(hào)以100Ω受控阻抗對(duì)的形式路由到RJ45插孔。
以較低時(shí)鐘速率運(yùn)行時(shí)，到載波的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)具有邊沿速率，要求小心布局。EVAL-CN0506-FMCZ上的信號(hào)應(yīng)保持盡可能短，連接CN-0506時(shí)必須仔細(xì)考慮載板上的信號(hào)走線長度和阻抗匹配。這些因素對(duì)CN-0506的整體速度和性能很重要，但必須分別考慮。
圖4顯示了從V2到V1的1000BASE-T最大下降點(diǎn)——98.7%。
圖4.峰值PHY差分輸出電壓
性能結(jié)果
使用CN-0506進(jìn)行了一些測試，包括模式驗(yàn)證測試、速度測試和電纜長度驅(qū)動(dòng)測試。
EVAL-CN0506-FMCZ在不同模式下進(jìn)行了測試，電纜長度逐漸增加。4米電纜和154米電纜的結(jié)果已在表2和表3中分別詳細(xì)列出，沒有丟包。
表2和表3分別顯示了短電纜傳輸和長電纜傳輸情況下本地和遠(yuǎn)程以太網(wǎng)PHY位置上ADIN1300的幀檢查器計(jì)數(shù)寄存器（FC_FRM_CNT_H和FC_FRM_CNT_L）和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)寄存器(RX_ERR_CNT)的回讀值。
表2.使用4米電纜的EVAL-CN0506-FMCZ評(píng)估系統(tǒng)
表3.使用154米電纜的EVAL-CN0506-FMCZ評(píng)估系統(tǒng)
常見變化
如果應(yīng)用不需要高達(dá)1000 Mbps的速度，可使用功耗更低的單端口以太網(wǎng)收發(fā)器ADIN1200，其最高速度為100 Mbps。
關(guān)于I2C總線轉(zhuǎn)換器的替代產(chǎn)品，LTC4317是一款單輸入、雙輸出I2C地址轉(zhuǎn)換器，而LTC4318是一款雙輸入輸出I2C總線轉(zhuǎn)換器。
如果應(yīng)用不需要RMII支持，則僅使用一個(gè)固定頻率的25 MHz晶振可簡化時(shí)鐘方案。
電路評(píng)估與測試
數(shù)據(jù)完整性和帶寬在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要。數(shù)據(jù)回送測試可以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)，包括EVAL-CN0506-FMCZ、電纜和連接器。有關(guān)設(shè)置和測試的完整詳細(xì)信息，參見CN0506用戶指南。
設(shè)備要求
需要以下設(shè)備：
•EVAL-CN0506-FMCZ電路評(píng)估板
•CAT6以太網(wǎng)電纜
•ZC706 FPGA開發(fā)板
•SD卡
•帶有USB A型加密狗的無線鍵盤和鼠標(biāo)
•微型USB OTG適配器
•高清多媒體接口(HDMI)公對(duì)公電纜
•HDMI監(jiān)視器
•ADI公司Linux鏡像，配置為與CN0506一起使用
開始使用
按照適用于Zynq和Altera SoC的AD-FMC-SDCARD快速入門指南中的詳細(xì)說明準(zhǔn)備SD卡，包括以下內(nèi)容：
1. 下載最新的FPGA Linux鏡像。
2. 格式化SD卡。
3. 將FPGA Linux鏡像燒錄到SD卡。
4. 將CN-0506的boot.bin和設(shè)備樹文件復(fù)制到SD卡的引導(dǎo)分區(qū)中。
功能框圖
圖5所示為測試設(shè)置的功能框圖。
圖5.測試設(shè)置功能框圖
設(shè)置
請(qǐng)執(zhí)行以下步驟來設(shè)置測試：
1. 使用LPC FMC連接器將EVAL-CN0506-FMCZ安裝到ZC706 FPGA開發(fā)板上，并用10mm支柱將其固定。
2. 將預(yù)先配置的SD卡插入Xilinx ZC706。
3. 在兩個(gè)RJ45以太網(wǎng)插孔之間連接以太網(wǎng)電纜，以建立回送。
4. 在HDMI監(jiān)視器和Xilinx ZC706之間連接HDMI電纜。
5. 將微型USB OTG適配器插入Xilinx ZC706的微型USB端口。
6. 使用USB A型加密狗將無線鍵盤和鼠標(biāo)連接到USB OTG適配器。
7. 將電源連接器連接至Xilinx ZC706，并將另一端插入壁式電源適配器。
測試
在回送模式下測試系統(tǒng)，即生成大量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)從一個(gè)通道發(fā)送到另一個(gè)通道，然后送回來。
圖6顯示了EVAL-CN0506-FMCZ電路評(píng)估板的實(shí)物照片。
圖6.EVAL-CN0506-FMCZ電路評(píng)估板
有關(guān)測試設(shè)置以及如何使用EVAL-CN0506-FMCZ的完整信息和細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱CN0506用戶指南。
推薦閱讀：
特別推薦
- 成本與性能的平衡：振蕩線圈技術(shù)深度解析與選型建議
- 十一月上海見！106屆中國電子展預(yù)登記開啟，共探產(chǎn)業(yè)新機(jī)遇
- 清潔電器智能化升級(jí)：MCU芯片性能成差異化競爭核心
- Cadence與NVIDIA強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，數(shù)字孿生平臺(tái)新模型助推AI數(shù)據(jù)中心高效部署
- 偏轉(zhuǎn)線圈技術(shù)解析：從基礎(chǔ)原理到選型要?jiǎng)t的全景指南
技術(shù)文章更多>>
- AMD 推出 EPYC? 嵌入式 4005 處理器，助力低時(shí)延邊緣應(yīng)用
- 機(jī)電執(zhí)行器需要智能集成驅(qū)動(dòng)器解決方案以增強(qiáng)邊緣智能
- 廣東國際水處理技術(shù)與設(shè)備展覽會(huì)邀請(qǐng)函
- 下一代智能耳機(jī)：壓縮技術(shù)驅(qū)動(dòng)AI功能融合創(chuàng)新
- 超越分辨率！解鎖移動(dòng)測繪相機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵密碼
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
鋰電池
利爾達(dá)
連接器
流量單位
漏電保護(hù)器
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
