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저전력 프로세서로 이더넷 커넥티비티를 구축하는 10BASE-T1L MAC-PHY

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[무료등록-대박 경품] 솔리드웍스의 클라우드서비스로 확 달라진 제조 현업의 이야기가 찾아갑니다 (12.10)

모리스 오브라이언(Maurice O’Brien) 전략 마케팅 책임자 매니저, 볼커 E. 골러(Volker E. Goller) 시스템 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(ADI)

 

 

이 글에서는 갈수록 늘어나는 저전력 필드 또는 에지 디바이스를 10BASE-T1L MAC-PHY를 사용해서 연결하는 방법에 대해 설명한다. 10BASE-T1L MAC-PHY와 10BASE-T1L PHY가 각각 어떤 경우에 적합하고, 이더넷 연결을 사용하는 미래의 제조 설비와 빌딩의 요구 사항을 이들 시스템이 어떻게 충족할지에 대해서도 소개한다. 


배경 설명

 

공정 설비, 공장, 빌딩 자동화 같은 애플리케이션에서 보다 많은 디바이스를 이더넷 네트워크로 연결하기 위한 목적으로 이더넷-APL 등 단일 쌍 이더넷 10BASE-T1L을 활용하는 사례가 늘고 있다.

 

더 많은 디바이스를 연결함으로써 보다 상위의 관리 시스템에 더욱 풍부한 데이터세트를 사용할 수 있으며, 이로 인해 생산성을 크게 향상시키고 가동비용과 에너지 소모를 줄일 수 있다. 미래에는 필드 디바이스나 에지 디바이스에 이더넷을 사용해 모든 센서와 액추에이터를 IT/OT 융합 네트워크로 연결할 것이다. 

 

이러한 비전을 실현하기 위해서는 설계상의 과제들을 극복해야 한다. 이러한 센서들은 전력과 공간이 제한돼 있기 때문이다. 센서와 액추에이터 애플리케이션용으로 상당한 용량의 메모리를 내장하고 있는 저전력 및 초저전력 마이크로컨트롤러 제품이 다수 출시되고 있다.

 

이러한 프로세서들의 한 가지 공통점은 이더넷 MAC을 포함하지 않으므로 MII, RMII, RGMII 같은 이더넷 인터페이스를 지원하지 못한다는 것이다. 통상적인 PHY는 이러한 프로세서에 연결될 수 없다. 

 

왜 10BASE-T1L MAC-PHY를 사용해야 하는가?

 

점점 더 늘어나는 저전력 디바이스에 원거리 이더넷을 연결하기 위해서는 10BASE-T1L MAC-PHY를 사용해야 한다. 10BASE-T1L MAC-PHY를 사용하면 SPI를 통해 프로세서로 이더넷 커넥티비티를 제공할 수 있어, 프로세서에 MAC을 통합하지 않아도 되므로 프로세서의 부담을 덜 수 있다. 이제 MAC 기능은 10BASE-T1L PHY에 곧바로 통합된다. 

 

10BASE-T1L MAC-PHY는 다양한 초저전력 프로세서를 활용할 수 있게 함으로써 디바이스 설계에 유연성과 선택폭을 넓혀준다. 애플리케이션 파티셔닝을 최적화함으로써 10BASE-T1L MAC-PHY는 이더넷-APL을 통해 본질적 안전과 관련한 0종 구역(Zone 0)에 저전력 필드 디바이스를 설치할 수 있게 해준다.

 

스마트 빌딩 애플리케이션에 MAC-PHY를 사용해 저전력 디바이스를 이더넷 네트워크로 연결한다. 스마트 빌딩 애플리케이션은 HVAC 시스템, 화재 안전 시스템, 출입 제어, IP 카메라, 엘리베이터 시스템, 상태 모니터링 등을 포함한다.

 

10BASE-T1L MAC-PHY에 첨단 패킷 필터링 사용

 

10BASE-T1L PHY에 MAC 기능을 통합하면, 네트워크 상에서 이더넷 트래픽을 최적화할 수 있는 새로운 기능이 가능해진다. 10BASE-T1L MAC-PHY에 첨단 패킷 필터링을 사용하면 브로드캐스트 및 멀티캐스트 트래픽을 처리하는 부담을 크게 줄이고, 프로세서로부터 이 처리 부담을 덜 수 있다.

 

비결은 목적지 MAC 어드레스로 필터링을 하는 것이다. MAC-PHY는 단일 MAC 어드레스가 아니라 최대 16개의 유니캐스트 또는 멀티캐스트 MAC 어드레스를 사용해서 필터링을 할 수 있다.

 

또한, 2개의 MAC 어드레스에 대해 어드레스 마스킹을 한다. 따라서 디바이스 어드레스뿐 아니라 LLDP(Link Layer Discovery Protocol) 같이 널리 사용되는 멀티캐스트 어드레스로 필터링을 할 수 있으므로 유연성을 크게 높인다. 

 

더 높은 우선순위에 대해서는 추가적인 큐(queue)를 지원하므로 특정 메시지들을 우선 처리하도록 함으로써 지연시간을 단축하고 견고성을 높일 수 있다. 프레임의 우선순위는 MAC 필터링 테이블을 사용해서 식별할 수 있다.

 

예를 들어서 브로드캐스트 메시지는 우선순위가 낮은 큐에 집어넣고 유니캐스트 메시지는 우선순위가 높은 큐에 집어넣음으로써 수신측이 브로드캐스트 스톰이나 트래픽 서지로 인해서 압도되지 않도록 할 수 있다.

 

이와 같은 MAC-PHY 필터링 기능을 사용해서 디바이스들에 네트워크 부하에 대한 견고성을 높일 수 있다. 또한 프레임 통계들이 MAC에 의해 수집됨으로써 네트워크 트래픽과 링크 품질에 대한 모니터링을 할 수 있다.

 

 

또한, 이 MAC-PHY의 MAC은 IEEE 1588을 지원하므로, 공정 자동화에 요구되는 802.1AS 시간 동기화를 지원한다. 이 MAC-PHY는 동기 카운터, 수신 메시지에 대한 타임스탬프 지정, 송신 메시지에 대한 타임스탬프 포착이 가능하다. 이는 소프트웨어 설계의 복잡성을 크게 낮춘다.

 

시간 동기화를 구현하는 데 MAC-PHY 말고는 추가적인 하드웨어를 필요로 하지 않기 때문이다. MAC이 동기 카운터로 타이밍된 출력 파형을 발생하고, 이를 활용해 외부 애플리케이션 동작을 동기화할 수 있다.

 

SPI 인터페이스는 오픈 얼라이언스 10BASE-T1x MAC-PHY 시리얼 인터페이스를 지원한다. 오픈 얼라이언스 SPI는 MAC-PHY와 함께 사용하도록 새롭게 설계된 매우 효과적인 SPI 프로토콜이다. 

 

10BASE-T1L MAC-PHY와 10BASE-T1L PHY는 각각 언제 사용하나?

 

10BASE-T1L PHY와 10BASE-T1L MAC-PHY는 적합한 활용 사례가 각기 다르다. 전력 소모가 중시되는 애플리케이션의 경우, 10BASE-T1L MAC-PHY는 호스트 프로세서 선택에 있어서 유연성을 높이고 MAC을 통합하지 않은 초저전력 프로세서를 사용할 수 있게 하므로 시스템 전력을 낮출 수 있다.

 

또한, 기존 디바이스에 이더넷 커넥티비티를 추가하도록 업그레이드할 때, 10BASE-T1L MAC-PHY를 사용해 기존 프로세서를 재사용하면서 SPI 포트를 통해서 이더넷 커넥티비티를 추가할 수 있으므로, MAC을 통합한 보다 대형의 프로세서로 옮겨가지 않아도 된다. 

 

필드 디바이스나 에지 디바이스가 MAC을 통합한 고성능 프로세서를 필요로 하는 고성능 애플리케이션의 경우, MII, RMII, RGMII MAC 인터페이스를 지원하는 10BASE-T1L PHY를 사용할 수 있다. 이때는 기존의 MAC 인터페이스 드라이버를 재사용해 이더넷 커넥티비티를 추가할 수 있다. 

 

 

차세대 이더넷 연결 프로세스 설비를 위해 더욱 향상된 유연성

 

10BASE-T1L PHY(ADIN1100)와 10BASE-T1L MAC-PHY(ADIN1110)를 둘 다 사용할 수 있으므로 디바이스 개발자는 이더넷 연결 제조 설비의 필요에 따라서 좀 더 유연하게 설계할 수 있다. 초저전력 디바이스와 고성능 디바이스를 동일한 이더넷 네트워크로 구축할 수 있으며, 위험한 장소에서 사용되는 활용 사례의 엄격한 최대 전력 한계 요구를 충족할 수 있다.

 

단일 차폐연선을 통해 전력과 데이터를 모두 제공하는 트렁크-앤-스퍼 네트워크 토폴로지를 구축하려면 10BASE-T1L 전력 스위치와 10BASE-T1L 필드 스위치를 견고한 저전력 10BASE-T1L PHY와 산업용 이더넷 스위치와 함께 사용해야 한다. 

 

필드 디바이스 연결을 위해서는 10BASE-T1L PHY와 10BASE-T1L MAC-PHY를 둘 다 사용해 다양한 필드 디바이스로 이더넷 커넥티비티를 구축한다. 유량 측정기 같은 고전력 필드 디바이스를 위해서는 MAC을 통합한 고성능 프로세서에 10BASE-T1L PHY를 사용할 수 있다.

 

온도 센서 같은 저전력 필드 디바이스는 MAC을 통합하지 않은 초저전력 프로세서에 10BASE-T1L MAC-PHY를 사용하고 SPI 인터페이스를 통해 이 프로세서로 이더넷 커넥티비티를 제공할 수 있다.

 

 

10BASE-T1L PHY와 10BASE-T1L MAC-PHY의 특징 비교

 

ADI의 10BASE-T1L MAC-PHY인 ADIN1110은 SPI 인터페이스를 통해 호스트 프로세서에 저전력 이더넷 연결이 가능하게 하며, 전력 소모는 42mW에 불과하다. ADIN1110은 전이중 SPI 통신을 위해 25MHz 클록 속도로 오픈 얼라이언스 10BASE-T1x MAC-PHY 시리얼 인터페이스를 지원한다.

 

ADI의 10BASE-T1L PHY인 ADIN1100은 MII, RMII, RGMII MAC 인터페이스를 통해서 호스트 프로세서에 저전력 이더넷 연결이 가능하게 하며, 전력 소모는 39mW에 불과하다. 

 

표는 ADIN1100 10BASE-T1L PHY와 ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY의 특성을 비교한 것이다. 두 제품 모두 10BASE-T1L 코어를 기반으로 하고 7.5MBd 심볼 레이트에 4B3T 코딩으로 PAM 3 변조 방식을 사용해서 전이중, DC 밸런싱, 포인트-투-포인트 통신을 지원한다.

 

10BASE-T1L은 두 가지 진폭 모드를 지원한다. 하나는 최대 1000미터 길이의 케이블에서 2.4V 피크-대-피크의 진폭 모드고, 다른 하나는 이보다 짧은 길이에서 1.0V 피크-대-피크의 진폭 모드다. 1.0V 피크-대-피크 진폭 모드를 지원하므로 이 새로운 물리층 기술은 방폭(explosion proof, Ex-proof) 시스템에 사용할 수 있으며, 엄격한 최대 에너지 제한을 충족한다.

 

최대 1킬로미터 거리까지 2개의 와이어로 10Mb 이더넷 물리층(10BASE-T1L)과 전력 공급(Engineered Power/PoDL/SPoE)를 결합함으로써 새로운 유형의 디바이스들을 이더넷 네트워크로 연결하고 융합적인 IT·OT 이더넷 네트워크로 더 많은 유용한 통찰을 끌어낼 수 있다.
 

부품 ADIN1100 ADIN1110
10BASE-T1L PHY 10BASE-T1L MAC-PHY
인터페이스 MII, RMII, RGMII SPI
통합된 MAC 없음 있음
본질적 안전 지원함 지원함
전력 소비 39mW 42mW
자동 교섭 기능 지원함 지원함
온칩 FIFO 없음 20kB receive / 8kB transmit
MAC 필터(16엔트리) 없음 없음
트래픽 우선순위 없음 있음
IEEE 1588 타임스탬프 지원 없음 있음
동작 온도 범위 -40℃~+105℃ -40℃~+105℃
패키지    

▲ ADIN1100 PHY와 ADIN1110 MAC-PHY 비교


맺음말

 

이를 통해 프로세스 설비나 공장 자동화 애플리케이션에서 생산성을 높이고 에너지 소비를 줄일 수 있으며, 빌딩 자동화 애플리케이션에서 에너지 효율과 안전성, 편의성을 높일 수 있다. 10BASE-T1L MAC-PHY를 사용함으로써 더 많은 저전력 디바이스들을 이더넷 네트워크로 연결할 수 있게 됐다.

 

아나로그디바이스 공식 홈페이지에서는 ADI의 Chronous 산업용 이더넷 솔루션 포트폴리오와, 이들 제품을 사용해서 어떻게 산업용 이더넷 네트워크로 빠르게 전환할 수 있는지에 대한 보다 자세한 정보를 제공한다. 

 

저자 소개

 

모리스 오브라이언(Maurice O’Brien)은 ADI의 산업 자동화 전략 마케팅 매니저로서, 산업 자동화용 시스템 솔루션을 맡고 있다. 그 전에는 산업용 이더넷 분야와, 전원 관리 애플리케이션 및 마케팅 분야 관련 직책을 각각 3년과 15년씩 맡았다. 아일랜드의 리머릭 대학에서 전자공학 학사학위를 취득했다. 

 

볼커 E. 골러(Volker E. Goller)는 아나로그디바이스의 시스템 애플리케이션 엔지니어로서, 복잡한 모션 제어와 임베디드 센서에서부터 시간 민감형 네트워킹(TSN) 기술에 이르기까지 다양한 산업용 애플리케이션과 관련해서 30년 넘게 풍부한 경험을 쌓고 있다. 본래 소프트웨어 개발자로서, 무선과 유선 애플리케이션용 다양한 통신 프로토콜과 스택을 개발했으며 다수의 주요 통신 표준 개발에 참여했다.




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