CC BY
54новые отечественные мезонинные модули
для приложений Embedded Internet на базе Ethernet-контроллеров компании WIZnet
Алексей ШАлАгинов
За последние несколько лет темпы расширения класса задач Embedded Internet, связанного со сбором и скоростной передачей данных по существующим сетям Ethernet, значительно выросли. К удаленному доступу к информации в быту и деловой жизни, удаленному мониторингу в промышленности, системам пожарной и охранной сигнализации добавились IP-телефония, IPTV, поддержка интерактивных медиапотоков и другие. Для реализации проводных каналов связи в таких задачах широко используются сети Ethernet с развитым стеком протоколов TCP/IP. одновременно с этим ужесточаются требования к габаритам и энергопотреблению. Конечным устройствам, помимо быстрой интеграции в существующие сети Ethernet, уже значительно чаще требуется и питание от сети (РоЕ), например, сетевым камерам, сетевым контроллерам доступа, оконечным исполнительным устройствам и т. д.
Для решения подобных задач российские разработчики уже несколько лет успешно применяют специализированные сетевые контроллеры компании WIZnet, которые аппаратно реализуют стек протоколов TCP/IP. Популярные кристаллы W3100A, W3150A+, W5100 и W5300 широко используются во встраиваемых системах с Ethernet-интерфейсом и выполняют рутинную работу по подготовке данных к передаче по сети. В настоящей статье представлены две отечественные разработки — законченные встраиваемые узлы на базе продукции WIZnet.
За семь лет присутствия продукции WIZnet на российском рынке она получила заслуженное признание. Разработчиков привлекают простота и удобство использования сетевых контроллеров WIZnet, а также низкая стои-
мость получаемых решений. Сетевые контроллеры, мезонинные модули и интерфейсные преобразователи WIZnet [1-3] находят свое применение практически везде, где требуется организовать передачу разнородных данных через Ethernet. Статья знакомит читателя с двумя новыми модулями для встраиваемых приложений — мезонинным сетевым модулем FT811MJ и семейством модулей, реализующих функцию РоЕ, — t^^lOOPD-isss.
Оба модуля выполнены на базе популярного и весьма удачного аппаратного сетевого контроллера W5100 [4]. Микросхема W5100 (рис. 1) была выпущена в 2006 году и специально разрабатывалась для встраиваемых приложений, когда первоочередными требованиями являются легкость интеграции, стабильность и надежность работы, производительность и невысокая стоимость всей системы. Аппаратная реализация стека протоколов TCP/IP на базе кристалла W5100 позволяет получить скорость передачи данных по сети до 23 Мбит/c и обеспечивает простую стыковку с Интернетом без участия операционных систем и внешних компьютеров. W5100 совместима со стандартами IEEE 802.3 lOBaseT и 802.3u 100BaseTX, содержит все необходимое для аппаратного обслуживания стека протоколов TCP/IP, включая физический уровень PHY с функциями Auto Negotiation и Auto MDI/MDIX. Сетевой кон-
троллер реализован на базе ядра W3150A/ W3150A+, особенности организации внутренней памяти и работы с регистрами, система прерываний, тактирование и организация интерфейса с внешним микроконтроллером кратко рассмотрены в [5]. Особенностью этого кристалла является наличие специализированных выходов для подключения индикаторных светодиодов. Всего микросхема содержит шесть таких выводов: TX, RX, Full/ Half duplex, Collision, Link и Speed.
Именно последнее обстоятельство и послужило причиной для разработки и серийного производства нового мезонинного модуля на базе W5100. Не секрет, что компания WIZnet сама выпускает достаточно широкий ассортимент специализированных мезонинных модулей: в первую очередь, для ускорения процесса разработки встраиваемых устройств. Модули содержат все элементы, необходимые для организации взаимодействия целевого устройства с внешним миром посредством Ethernet и стека протоколов TCP/IP. Относительно невысокая стоимость и удобство работы с ними обусловили широкую популярность этих модулей во всем мире, в том числе и в России. Тем не менее, отечественная разработка FT811MJ лишь расширяет ассортимент этих модулей и их области применения, предлагая разработчику дополнительные сервисные возможности,
RJ-45 со встроенным трансфо рматоро м
Рис. 2. Сетевой мезонинный модуль FT811MJ
которые особенно актуальны на этапе разработки и отладки конечного изделия.
FT811MJ (рис. 2) — это встраиваемый сетевой мезонинный модуль, который может быть использован как готовый компонент системы и идеально подходит для тех инженеров, которые хотят быстро разработать сетевые устройства с доступом в Интернет. Структурная схема изделия приведена на рис. 3. Помимо кристалла Ethemet-контроллера W5100, модуль также содержит на своей печатной плате трансформатор, конструктивно совмещенный с разъемом Ethernet и светодиодами в одном корпусе (MAG JACK), что отражено в аббревиатуре модуля — суффикс “MJ”. В разработке был использован симметричный трансформатор (поддерживается функция MDI/MDIX), что позволяет подключать целевое устройство к Ethernet с помощью любого из кабелей: patch-cord или crossover. На плате также имеются кварцевый резонатор 25 МГц, резисторы и конденсаторы, необходимые для обеспечения работы микросхем в составе модулей.
Модуль FT811MJ по расположению и функциональному назначению штыревых выводов для присоединения к целевой плате полностью совместим с модулем WIZ811MJ от компании WIZnet. Шаг этих выводов также сохранен и равен 2,54 мм. Тем не менее, FT811MJ имеет примечательную особенность: разработчику предоставлена возможность с помощью джампера и дополнительного 10-контактного разъема на печатной плате модуля осуществлять вывод различной служебной информации на зеленый индикаторный светодиод MAG JACK (рис. 4). У «базового» модуля WIZ811MJ на этот светодиод жестко «заведен» только сигнал Full Duplex, что является ограниченным решением и может оказаться неудобным при отладке приложения. Кроме того, более удобное расположение кристалла W5100 на печатной плате FT811MJ позволило сохранить исходные габариты «базового» модуля WIZ811MJ. Таким образом, новый модуль FT811MJ представляет со-
Рис. 3. Блок-схема модуля FT811MJ
Линия
передачи
Передача (ТХ) в о о О о о о
Прием (RX) 1 О О О о о
Конфликт 1 в 1
Скорость связи о □ о О О В!
Полнодуплексный режим о □ о О о о о в
Рис. 4. Варианты подключения сигнальных линий к светодиодам MAG JACK у FT811MJ
бой «топовую» версию сетевых мезонинных устройств, предназначенных для встраивания в конечные изделия, максимально полно реализующую функциональные возможности сетевого контроллера W5100.
Успешная разработка и производство модуля FT811MJ послужили причиной для создания дополнительной линейки специализированных мезонинных модулей для встраиваемых приложений, «заточенных» под различные конечные задачи. Так, например, довольно часто перед инженерами ставится задача разработать устройство, имеющее удаленное управление и питание через Ethernet [6]. Это могут быть: точка доступа, которая располагается в зоне максимального покрытия сигнала, но отсутствия электросети; сетевой контроллер доступа; видеокамера в составе системы охранной сигнализации; контроллеры управления промышленным оборудованием и др. Для того, чтобы быстро решить поставленную задачу с функцией питания через Ethernet, было разработано семейство РоЕ-модулей FT5100PD-хххх [8], которые выполняют аппаратную обработку стека протоколов TCP/IP и позволяют организовать питание проектируемого устройства непосредственно от Ethernet. Внешний вид модуля нового семейства представлен на рис. 5.
Рис. 5. Сетевой мезонинный модуль FT5100PD с функцией РоЕ
Модуль FT5100PD предназначен для встраивания в проектируемые устройства как готовый функционально законченный компонент. Он выполняет две функции. Во-первых, он производит аппаратную обработку стека протоколов TCP/IP, избавляя разработчиков от большого объема работ, требующих высокой квалификации и временных затрат. Во-вторых, модуль решает вопросы удаленного питания через Ethernet. Разработчикам уже не нужно углубляться в подробности технологии PoE, им достаточно заложить в свое устройство конкретный модуль с необходимым выходным напряжением.
Устройства FT5100PD являются логическим продолжением и развитием мезонинного модуля FT811MJ. Главное функциональное отличие — то, что FT5100PD имеет возможность получать питание через Ethernet по технологии PoE (рис. 6) для собственных нужд и для питания целевой платы.
Модуль FT5100PD состоит из двух функциональных частей: узла, выполняющего аппаратную обработку стека протоколов TCP/IP, и узла питания по технологии PoE. Обработка стека протоколов TCP/IP реализована на базе сетевого контроллера W5100
Рис. б. Отличие модулей FT811MJ и FT5100PD
о
RJ-45
ХЗ
4D ®-
TXLED
SPDLED
LINKLED
FDXLED
COLLED
RXLED
РЗЭ19-011
Рис. 8. Управление индикаторами на разъеме RJ-45
Рис. 9. Вариант питания А (питание подается по парам данных)
Рис. 10. Вариант питания В (питание подается по свободным парам)
компании WIZnet, а узел питания — на специализированной микросхеме Si3400/01 компании Silicon Labs. Структурная схема FT5100PD приведена рис. 7.
Узел обработки TCP/IP практически полностью повторяет разработанный мезонинный модуль FT811MJ. Отличие заключается в том, что у FT5100PD на контакты, впаиваемые в целевую плату, выводятся все без исключения сигнальные линии для управления светодиодами на разъеме MAG JACK. Теперь разработчики могут организовать гибкое управление индикаторными светодиодами путем замыкания на материнской плате соответствующих контактов выходного разъема. Допускается вывод любого сигнала с материнской платы, например для индикации напряжения питания устройства (рис. 8).
Рассмотрим узел питания PoE. Напомним, что технология PoE — это способ передачи питания по витой паре для удаленных сетевых устройств. Эта технология описана в стандарте IEEE 802.3af [7]. Модуль FT5100PD полностью соответствует этому стандарту. В документе IEEE описываются два варианта передачи питающего напряжения. В первом случае питание передается по тем же линиям кабеля, что и данные (рис. 9), а во втором — по свободным парам (рис. 10).
Модуль FT5100PD поддерживает оба варианта передачи питания независимо от изменения полярности (например, когда используется кабель типа crossover). Узел питания модуля построен на импульсном преобразователе с обратной связью и имеет гальваническую развязку. Наличие супрессора на входе преобразователя позволяет подавлять скачки напряжения. Модуль имеет функцию защитного отключения в случае его перегрева. Максимальная длина кабеля — 100 м.
Семейство модулей FT5100PD состоит из двух групп, различающихся по максимальной выходной мощности узла питания. Для модулей на базе микросхемы Si3400 максимальная выходная мощность составляет 10 Вт, а для модулей на базе микросхемы Si3401 — 15 Вт (таблица). В каждой из групп присутствуют четыре варианта исполнения модуля со стандартными, широко распространенными значениями выходных напряжений. Тем не менее, возможна модификация модулей «под заказ» в любой из групп с целью получения нестандартного напряжения питания.
Таблица. Варианты исполнения РоЕ-модулей FT5100PD
№ Наименование Выходная мощность, Вт (макс.) Выходное напряжение, В Выходной ток, А
1 FT5100PD-1003 10 3,3 3
2 FT5100PD-1005 10 5 2
3 FT5100PD-1009 10 9 1,1
4 FT5100PD-1012 10 12 0,83
5 FT5100PD-1503 15 3,3 4,5
6 FT5100PD-1505 15 5 3
7 FT5100PD-1509 15 9 1,65
8 FT5100PD-1512 15 12 1,25
интерфейсы
Габаритные размеры FT5100PD составляют всего 50x60 мм, что делает его удобным законченным компонентом с точки зрения интеграции в систему. Модуль оснащен двумя 10-контактными и одним 50-контактным двурядными разъемами с шагом 2 мм (рис. 11). FT5100PD надежно фиксируется в ответных разъемах материнских плат. Кроме того, мезонин может быть впаян непосредственно в целевую плату.
На рис. 12 приведен пример подключения к сети устройства, собранного с использованием «обычного» сетевого модуля FT811MJ. В этом случае необходимо организовать питание от локального источника энергии. Для сравнения на рис. 13 показано, что устройству со встроенным модулем FT5100PD не требуется локальное питание. Оно имеет всего лишь одно подключение по витой паре, по которой передаются и данные, и питание. Энергию в кабель в этом случае подает специальное устройство — инжектор. Модуль FT5Ю0PD будет работать с любым инжектором, который соответствует стандарту 1ЕЕЕ 802.3а£ У некоторых промышленных моделей коммутаторов порты уже снабжены РоЕ-инжек-
торами. В этом случае уже не нужно дополнительное оборудование (рис. 14). Кроме того, целевое устройство будет работать даже в том случае, если непосредственно подать питание 48 В DC на свободные пары кабеля (рис. 15).
Модули FT5Ю0PD предназначены для встраивания в устройства, к которым осуществляется (или необходимо осуществить) удаленный доступ через Интернет. Эти модули являются оптимальным решением, когда требуется за-
питать оконечные устройства по Ethernet. Такими устройствами могут быть беспроводные точки доступа, Web-камеры, различные сетевые контроллеры, IP-телефоны и IPTV, сетевое офисное оборудование, компоненты систем автоматизации зданий, производственных помещений и др. Ш
литература
1. Дмитриенко А. Сетевой контроллер W31SGA от WIZnet: новые возможности // Компоненты и технологии. 2GG6. № 7.
2. Кривченко И. W31GGA — новая микросхема для приложений Embedded Internet // Электронные компоненты. 2GG2. № S.
3. www.efo.ru
4. Datasheet WS1GG: www.wiznet.co.kr
5. Кривченко И. Новая продукция WIZnet для приложений Embedded Internet // Компоненты и технологии. 2GG7. № 4.
6. Черепанов А. Оборудование питания через Ethernet // Техника связи. 2GG7. № 4.
7. www.ieee.org
8. Datasheet FTS1GGPD: http://www.fort-telecom.ru/FT5100PD_rus.pdf
Коммутатор
Внешнее
питание
100 м
Устройство со встроенным модулем FT811MJ
Коммутатор
Внешнее
питание
100 м
Инжектор
О
Устройство со встроенным модулем FT5100PD
Рис. ї2. Подключение устройства, не поддерживающего PoE
Рис. їЗ. Подключение устройства со встроенным модулем FT5100PD
Внешнее
питание
&
Коммутатор с портами РоЕ
100 м
О
Устройство со встроенным модулем FT5100PD
Коммутатор
100 м
t
О
48 В DC
Устройство со встроенным модулем FT5100PD
Рис. 14. Подключение устройства со встроенным модулем FT5100PD Рис. 15. Подключение устройства со встроенным модулем FT5100PD
к коммутатору с РоЕ-портами с непосредственным вводом питания в иТР-кабель
