【導(dǎo)讀】在工廠自動化應(yīng)用中,由于現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點數(shù)量與日俱增,同時對于自動化設(shè)備加工精度與實時性要求越來越高,傳統(tǒng)的串行工業(yè)總線已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)線同步性與大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。以太網(wǎng)逐漸成為主流,基于以太網(wǎng)全球主流OEM開發(fā)確定性網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議包括Profinet, Ethercat, Powerlink等。這些協(xié)議都需要以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì),以太網(wǎng)PHY主要負責。目前工業(yè)以太網(wǎng)總線速率以10/100M速率為主,下一代工業(yè)總線技術(shù)將會基于TSN(時間敏感網(wǎng)絡(luò))與速率1000M及以上的以太網(wǎng)協(xié)議。
在進行以太網(wǎng)口功能調(diào)試過程中,最常見的問題是兩個端口之前無法正確建立物理層鏈接。所以本文檔的內(nèi)容基于TI以太網(wǎng)PHY產(chǎn)品DP83822,介紹以太網(wǎng)網(wǎng)口自協(xié)商(Auto-Negotiation)功能現(xiàn)象,正確的測試波形與Strap電阻設(shè)置。
1. 介紹
OSI模型定義了7層網(wǎng)絡(luò)模型,以太網(wǎng)MAC層對應(yīng)OSI模型中的第二層-數(shù)據(jù)鏈路層,以太網(wǎng)PHY對應(yīng)OSI模型中的第一層-物理層。對于以太網(wǎng)而言,物理層的主要功能是將在網(wǎng)線或者光纖中傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)(電壓,電流等)轉(zhuǎn)化為可被接收且符合協(xié)議的數(shù)字信號,其為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接。物理層主要規(guī)定了信號電壓,頻率,引腳功能,阻抗等。作為網(wǎng)絡(luò)通訊的基礎(chǔ),只有在物理層成功建立鏈接后,通信數(shù)據(jù)才能在端口之間進行傳輸。以太網(wǎng)PHY承擔了物理層鏈接的所有工作,只有PHY工作在正確配置下,通信鏈路才能正常工作。下面會以10M/100M以太網(wǎng)PHY為例,說明物理層鏈接建立方式 – 自動協(xié)商及如何檢通過檢測TRX_P/N管腳波形判斷DP83822是否正確開啟該功能。
2. DP83822自動協(xié)商(Auto-Negotiation)功能
根據(jù)IEEE802.3,自動協(xié)商模式功能是以太網(wǎng)端口根據(jù)另一個端口的設(shè)備鏈接速度,雙工模式,自動把本端口的速度和工作模式調(diào)節(jié)到兩個端口可以支持的最高水平。自協(xié)商協(xié)議的主要內(nèi)容包括:雙工模式,運行速率等。自動協(xié)商功能完全由物理層PHY芯片實現(xiàn),無需額外數(shù)據(jù)包和高層協(xié)議開銷。根據(jù)廣播通信速率10M或者100M的不同,自動協(xié)商功能提供兩種模式NLP(Figure 6)和FLP(Figure 2)。
DP83822I(工業(yè)版本)支持10M – 10Base- TE模式和100M – 100Bast – TX模式
10Base-TE自動協(xié)商模式(10M)
使用單獨10Base-TE廣播自動協(xié)商模式時, PHY芯片會通過Figure 1中TXD_P, TXD_N和RXD_P,RXD_N發(fā)送NLP(Normal Link Pulse)普通鏈路脈沖,每個脈沖間隔16ms。為了同時兼容T568A直連網(wǎng)線和T568B交叉網(wǎng)線,所以在收發(fā)端同時廣播NLP,根據(jù)對方對口的監(jiān)聽情況判斷是否使用自動交叉線切換功能(Auto-MDIX)。
100Base-TX自動協(xié)商模式(100M)
使用100Bast-TX自動協(xié)商模式時, PHY芯片會通過Figure 1中TXD_P, TXD_N和RXD_P,RXD_N發(fā)送FLP(Fast Link Pulse)快速鏈路脈沖。由于100Base-TX自動協(xié)商模式由100Base-T向10Base-T兼容,如果對方端口只能支持10M以太網(wǎng),則兩側(cè)都會判定為10Base-T。為了同時兼容T568A直連網(wǎng)線和T568B交叉網(wǎng)線,所以在收發(fā)端同時廣播FLP,根據(jù)對方對口的監(jiān)聽情況判斷是否使用自動交叉線切換功能(Auto-MDIX)。
Figure 1 DP83822原理圖
開啟自動協(xié)商模式:TXD_P/N引腳波形
測試使用DP83822I評估模塊[1],默認電阻與寄存器配置,在無網(wǎng)線連接其他以太網(wǎng)端口的情況下。通過觀測TXD_P引腳波形可以判斷芯片是否在進行自動協(xié)商。
當無其他端口與本端口連接時,自動模式下TXD_P/N引腳發(fā)送的FLP波形為Figure 2。TXD_P/N會持續(xù)發(fā)送FLP信號給遠端以太網(wǎng)端口,同時TXD_P/N也會監(jiān)聽對端是否通過網(wǎng)線傳輸FLP信號。每幀F(xiàn)LP脈沖發(fā)送時間間隔16ms。直流共模電壓3.3V,單端峰值電壓5.2V。
Figure 2 100base-TX自動協(xié)商 FLP信號
如果對單幀脈沖周期進行放大可以觀察到FLP信號包含多個脈沖信號。最大數(shù)量為33個脈沖,第一個脈沖和最后一個脈沖為時鐘脈沖,每兩個時鐘脈沖之間為數(shù)據(jù)脈沖。當數(shù)據(jù)脈沖出現(xiàn)時,該比特位為’1’,當數(shù)據(jù)脈沖為0時,該比特位為’0’。雙工模式,速率等信息就包含在16個數(shù)據(jù)脈沖之中,如Figure 3所示。
Figure 3 100base-TX自動協(xié)商 單幀F(xiàn)LP信號
如Figure 4所示,單個脈沖TXD_P和TXD_N幅值相同,相位相差180度差分信號。
Figure 4 100base-TX自動協(xié)商 TXD_P/N差分信號(紅色TXDP-TXDN) 峰值為3.3V
關(guān)閉自動協(xié)商模式:TXD_P/N引腳波形
使用DP83822I評估板,在上電后使用工具[2]將0x0000(BMCR) BIT12更改為’0’,關(guān)閉自動協(xié)商模式。此時得到Figure 5,由圖可知TXD_P不再發(fā)送FLP脈沖群,而是在持續(xù)發(fā)送MLT-3信號。發(fā)送MLT-3表示PHY認為此時已經(jīng)進入強制100Base-TX, Figure 5表示以太網(wǎng)PHY工作在100Bast-TX的空閑狀態(tài)。
Figure 5 100Base-TX以太網(wǎng)特征信號(MTL-3電平)- 自動協(xié)商功能關(guān)閉
此時將0x0000(BMCR) BIT13設(shè)置為’0’,即將以太網(wǎng)速度從100M變?yōu)?0M。此時TXD_P/N在持續(xù)發(fā)送NLP信號,因為10Base-TE 空閑模式與NLP信號相同。此時PHY進入強制10Base-TE模式。
Figure 6 10Base-TE NLP - 自動協(xié)商功能關(guān)閉
從以上測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),通過示波器觀察TXD_P/N引腳信號可以對以太網(wǎng)PHY(例如DP83822I)上電后的鏈接電路的模式和狀態(tài)進行分類。在現(xiàn)在通用以太網(wǎng)PHY的設(shè)計中,通常建議開啟自動協(xié)商模式支持最高速率與全雙工模式(Auto-Negotiation),當在無遠端以太網(wǎng)端口鏈接的情況下,應(yīng)能在TXD_P/N引腳觀側(cè)到Figure 2和Figure 3波形。
自動協(xié)商模式Strap電阻配置
DP83822I在上電完成之后,需要默認使能自動協(xié)商模式,且保證最快速率和全雙工模式,最重要的一點是保證基礎(chǔ)模式選擇正確,即AN_EN=1, AN_1=1, AN_0=1。
Figure 7 自動協(xié)商模式可配置的
相關(guān)引腳的電阻配置如Figure 8所示,根據(jù)[3]可以得到RX_D0, RX_D3和LED_0的推薦電阻配置如下:
Figure 8 自動協(xié)商模式相關(guān)Strap電阻配置
RX_D0引腳電阻配置:
MODE1(上拉電阻:OPEN; 下拉電阻:OPEN)和MODE4(上拉電阻:2.49k Ohm;下拉電阻:OPEN)。
RX_D3引腳電阻配置:
MODE1(上拉電阻:OPEN; 下拉電阻:OPEN)和MODE4(上拉電阻:2.49k Ohm;下拉電阻:OPEN)。
LED_0引腳電阻配置:
MODE3(上拉電阻:6.2k Ohm; 下拉電阻:1.96k Ohm)和MODE4(上拉電阻:OPEN;下拉電阻:OPEN)。
3. 參考文檔
[1] DP83822 EVM: http://www.ti.com/lit/ug/snlu179/snlu179.pdf
[2] USB to MDIO Serial Management Tool: http://www.ti.com/tool/USB-2-MDIO
[3] 4-Level Strap Device Configuration: http://www.ti.com/lit/an/snla258/snla258.pdf
[4] https://www.iol.unh.edu/sites/default/files/knowledgebase/ethernet/Copper_ANEG_JEFF_LAPAK.pdf
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