面向低時延工業以太網的Marvell PHY 產品

　　以太網在企業級市場中得到了廣泛應用—我們對于它在辦公環境中的應用都非常熟悉，但是IEEE 802.3 系列標準總在不斷的演進，工業網絡自身也面臨著一些挑戰，以太網及其組成部分也在不斷的演進中以應對工廠車間的需求。能提供低時延、增強靜電放電(ESD)保護性能的同時，還能夠在更寬的溫度范圍中運行的硬件互聯在工業網絡應用中是非常重要的。Marvell 的88E1510P/88E1512P/88E1510Q 系列 PHY(物理層器件)產品，從最開始就是與工業自動化領域的領導者合作共同進行設計，并已在最嚴苛的工業應用中得到了測試和驗證。

　　如今，有很多通信協議已被應用于工業網絡中，包括 EtherNet/IP、 EtherCAT、 Profinet 和 SERCOS III。他們來自于不同供應商的獨立和專有的解決方案，但都有共同的目標，也就是在嚴苛的環境條件下，將實時以太網帶到工業自動化應用中。典型工業網絡的組成部分包括可編程邏輯控制器(PLC)、電機控制器及驅動、傳感器網絡以及人機交互界面(HMI)。這些元素通過 EtherCAT 或 Profinet等協議連接到以太網的主干網絡中，其網絡拓撲結構可能是放射型(星形)或線形。不管是什么樣的網絡拓撲結構，其目標都在于為每一個節點提供精確的控制和同步的時鐘信息。如果拓撲結構是長形的菊花鏈，那么每一個點都需要最優的時延性能來實現系統中快速的需求/反應循環時間。

　　圖標一： 使用EtherCAT / Profinet 協議的典型工業網絡連接

　　尋找低時延PHY?

　　EtherCAT 這樣的協議需要處理以太網數據包，在處理報文的時候，需要同步修改報文內容，并將新的內容添加至報文中。在實時應用中，這對于交換芯片和PHY的時延有極大的限制。考慮到這個需求，我們在設計 Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列PHY產品時，針對一線工業客戶的嚴格時延要求進行了專門的設計。下面的表格顯示，相比于未經優化的應用，Marvell 低時延PHY的傳輸速度快了30%~40%。

　　圖二：100BASE-TX中RGMII運行模式下的默認發送和接收時延(ns)

　　上表中的數據顯示了默認配置的測試數據，在寄存器配置優化的情況下可獲得更低的時延。在整個范圍內，發送和接收時延的總值低于400ns。如下表：

　　圖三：通過寄存器編程可實現低于400ns的總體時延

　　觀測到的微小的延遲抖動(從最小到最大)取決于發送路徑中的同步電路。一般來說，FIFO(先進先出隊列)被應用在發送路徑中來補償發送電路和接收電路之間的任何PPM頻率差異。根據數據包大小和FIFO中輸入的數量，可看到時延的抖動非常小。

　　(請注意：當PHY用于基于精確時間協議(PTP)的時間戳應用時，FIFO的出現不會影響時間戳的準確性。時間戳處理靠近網線這端，避免了FIFO不確定性的影響。)

　　滿足未來 1000BASE-T 的要求

　　雖然100BASE-TX 的速度足以滿足今天大部分工廠應用的需求，但對于支持1000BASE-T的需求仍在不斷增長。由于工業設備和網絡的安裝要求大量的資金投入，采用不會過時的、可滿足1000BASE-T網絡數據要求的PHY設備非常重要。Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列 PHY 產品可支持10BASE-T、 100BASE-TX 和 1000BASE-T標準。1000BASE-T 模式下時延范圍的測試結果如下：

　　圖四：在 1000BASE-T 下觀察到的總體時延也低于400ns

　　較寬的工業級溫度范圍和ESD支持

　　在工業環境中，要控制工廠的地面溫度非常困難，而周圍的設備也在高溫環境中運行，且難以進行有效的通風散熱。通過以太網連接的工業電機和機器人往往需要在高溫環境中焊接金屬，

　　圖五：PHY等以太網部件需要在極端溫度條件下運行

　　這要求PHY能夠在持續性高溫環境下運行(超過若干小時)。Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列PHY產品專為在-40℃到85℃的環境溫度范圍內運行而設計(或最大結溫溫度Tj125℃)。

　　除了高溫之外，工業環境還可能導致機械內部電荷的累積。為了防止高電壓沖擊，Marvell PHY備有強化的ESD保護電路。我們在一些最大型的工業電子OEM的嚴格測試環境中對Marvell PHY進行了測試，并獲得了他們對器件ESD能力的認可。

　　封裝和接口選擇

　　Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列 PHY 采用 48 引腳或 56 引腳 QFN 封裝，同時提供一系列MAC接口選項，例如RGMII、MII 和 SGMII。如需了解特定產品特性信息，請參看產品選擇導覽。

　　綜上所述，可提供增強ESD保護、低時延，并在較寬工業級溫度范圍內運行的硬件互連在工業網絡環境中越來越受歡迎，Marvell 88E1510P/1512P/1510Q 系列PHY可提供這些核心優勢，從而可部署在任何實時的工業以太網中。