EtherCAT通讯原理、MAC和PHY芯片

本文详细介绍了网口通讯电路的构成,主要包括PHY芯片负责物理层数据传输,MAC控制数据链路层,以及MCU的整合形式。重点阐述了PHY与MAC的交互,MII接口在MAC与PHY间的作用以及PHY芯片在数据发送和接收中的工作原理。

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网口通讯电路主要结构如下:

图1  网口通讯电路构成简图

网口主要是有MCUMACPHY芯片三部分构成。

一. MAC

PHY芯片是计算机网络和通信设备中的一种重要芯片,它负责实现数据传输的物理层(OSI七层网络模型,依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层)功能。PHY芯片将数字信号转换为模拟信号,并把它发送到通信介质(线缆等)上;同时从接收的模拟信号中恢复出数字信号,再传输到上层芯片(MACMCU等)处理。PHY在发送数据的时候,收到MAC过来的数据,然后把并行数据转化为串行流数据,再按照物理层的编码规则把数据编码,再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流程反之。

二. PHY芯片

MACMedia Access Control,即媒体访问控制子层协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分。主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候,MAC协议可以事先判断是否可以发送数据,如果可以发送将给数据加上一些控制信息,最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层;在接收数据的时候,MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误,如果没有错误,则去掉控制信息发送至LLC层。该层协议是以太网MACIEEE-802.3以太网标准定义。最新的MAC同时支持10Mbps100Mbps两种速率。同时,MAC通过 MIIM寄存器来实现对PHY的控制。

MAC通过MII接口与PHY芯片连接

MCUMACPHY芯片这三部分并不一定都是独立的芯片,根据组合形式,可分为以下三种类型:1MCU集成MACPHY2MCU集成MACPHY采用独立芯片;3MCU不集成MACPHYMACPHY采用集成芯片。方案二通常较为常见,下面选用方案二做进一步说明。

如图29所示。MCU集成MACPHY采用独立芯片。从RJ-45接口引入的模拟信号以差分形式被PHY芯片接收,同理PHY芯片输出的差分模拟信号通过RJ-45接口输送到传输介质(导线)上。

PHY芯片输出的数据通过MII接口送入MAC中,反之,MAC输出的数据

也通过MII接口送入PHY芯片中。同时MAC通过 MIIM端口来实现对PHY芯片的控制。

图2  MCU集成MAC,PHY采用独立芯片网口结构示意图

IEEE802.3中规定的MII总线是一种用于将不同类型的PHY与相同网络控制器(MAC)双向连接的通用总线。其数据接口分为接收器和发送器,配置端口及其描述如下表。

表1  TMII发送器与接收器端口配置

发送器

接收器

端口

描述

端口

描述

TXC

发送时钟信号

RXC

接收时钟信号

TXD[0:3]

发送数据

RXD[0:3]

接收数据

TXEN

发送使能信号

RXER

接收数据出错指示

/

/

RXDV

接收数据有效指示

/

/

COL

冲突检测

/

/

CRS

载波监听

MIIM接口包括时钟线(MDC)和数据线(MDIO)的物理连接,实际上就是MII的管理接口,用来控制和监视PHY的工作状态。

EtherCAT(以太CAT)是一种实时以太网通信协议,用于工业自动化领域中的实时控制系统。EtherCAT硬件电路设计是指根据EtherCAT协议要求进行硬件设计电路布局,以实现基于EtherCAT的通信控制功能。 在EtherCAT硬件电路设计中,需要考虑以下几个方面: 1. 物理层接口:EtherCAT协议使用标准的以太网物理层,因此硬件电路设计需要选择合适的以太网接口芯片,并进行相应的信号电路设计,以保证与其他网络设备的兼容性稳定性。 2. 网络拓扑:EtherCAT网络可以采用星形、环形或线性的拓扑结构,在硬件电路设计中要根据具体需求确定合适的网络结构,并设计相应的网络接口电路通信线路,确保数据在网络中的快速传输可靠性。 3. 通信速率延迟:EtherCAT协议支持高速实时通信,硬件电路设计中需要根据所需的通信速率延迟要求选择合适的芯片电路设计方案,同时充分考虑信号干扰、噪声等因素对通信性能的影响。 4. 硬件资源:在设计EtherCAT硬件电路时要考虑系统的资源限制,包括处理器性能、存储容量、外设接口等,以确保系统能够满足实时控制要求,并具备足够的扩展性可靠性。 5. 电源地线:在硬件电路设计中,要注意电源的稳定性电磁兼容性,采取合适的电源滤波隔离措施,保证系统的正常工作。地线的设计也非常重要,要保证低电阻、低噪声良好的信号传输。 总之,EtherCAT硬件电路设计需要综合考虑网络拓扑、通信速率、硬件资源、电源地线等方面的要求,通过合理的电路设计布局,实现基于EtherCAT协议的实时通信控制功能。
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