Analogtipp Worauf es bei der Wahl eines Ethernet-PHYs ankommt

Von Thomas Brand *

Industrial Ethernet setzt sich in der industriellen Kommunikationstechnik zunehmend als neuer Standard durch. Der PHY bildet dabei die Brücke zwischen digitaler und elektrischer Verbindungsebene der Schnittstelle. Nachfolgende Kriterien sollten Sie bei der Auswahl des Ethernet-PHYs berücksichtigen.

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Ethernet-PHY: Auf dem Weg zum neuen Standard – Mit Industrial Ethernet sind hohe Übertragungsraten in rauer Umgebung möglich.
Ethernet-PHY: Auf dem Weg zum neuen Standard – Mit Industrial Ethernet sind hohe Übertragungsraten in rauer Umgebung möglich.
(Bild: Bru-nO auf pixabay / Pixabay )

Die zunehmende Digitalisierung in nahezu allen Bereichen unseres täglichen Lebens erfordert einen ständigen Austausch von enormen Datenmengen zwischen Geräten und Maschinen. Vor allem in der Industrie geraten herkömmliche Kommunikationstechniken dabei an ihre Grenzen, weshalb sich mit Ethernet bzw. industriellem Ethernet ein neuer Standard herauskristallisiert. Damit sind sehr hohe Übertragungsraten bis in den Gigabit-Bereich bei Distanzen bis 100 m bzw. im Fall von Glasfaser bis mehreren Kilometern möglich.

Ethernet ist eine Schnittstellenspezifikation der IEEE 802.3. Eines der wichtigsten Elemente von IEEE 802.3 ist die physikalische Schicht (PHY) von Ethernet. Dies ist eine (Transceiver-) Komponente zum Senden und Empfangen der Daten bzw. den Ethernet-Frames. Im OSI-Schichtenmodell umfasst Ethernet die Schicht 1 (Bitübertragungsschicht bzw. Physical Layer) und einen Teil der Schicht 2 (Datenverbindungsschicht bzw. Data Link Layer).

Die Bitübertragungsschicht spezifiziert die Arten von elektrischen Signalen, Signalisierungsgeschwindigkeiten, Medien- und Steckverbindertypen sowie Netzwerktopologien. Der Ethernet-PHY ist ihr zugeordnet, wie in Bild 1 dargestellt.

Bild 1: OSI-Schichtenmodell.
Bild 1: OSI-Schichtenmodell.
(Bild: ADI)

Der PHY bildet die physische Schnittstelle und ist für Kodierung und Dekodierung von Daten zwischen einem rein digitalen System und dem Medium, auf dem die Signale übertragen werden, zuständig. Er stellt somit eine Brücke zwischen der digitalen und der elektrischen Verbindungsebene der Schnittstelle dar.

In der Datenübertragungsschicht wird festgelegt, wie die Kommunikation über das Medium erfolgt und wie die Rahmenstruktur der übertragenen und empfangenen Nachrichten aussieht. Anders ausgedrückt, hier wird festgelegt, wie die Bits von der Leitung in eine Bitanordnung kommen, damit die Daten aus dem Bitstrom extrahiert werden können.

Beim Ethernet wird dies als Medienzugriffskontrolle (engl. Media Access Control, MAC) bezeichnet und befindet sich im direkten Umfeld des PHYs, jedoch in der Datenübertragungsschicht. Meist sind die MACs in einem Controller bzw. Switch integriert.

Bild 2: Vereinfachtes Blockdiagramm einer Ethernet-Anbindung.
Bild 2: Vereinfachtes Blockdiagramm einer Ethernet-Anbindung.
(Bild: ADI)

PHYs können als diskretes Bauteil, aber ebenso auch in einem Ethernet-Controller integriert sein. In Bild 2 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild mit den erforderlichen Ethernet-Komponenten sowie den diskreten PHYs zu sehen. Gilt es, einen Aufbau mit diskreten PHYs zu realisieren, sollten einige Kriterien bei der Auswahl eines PHYs beachtet werden. Diese sind im Folgenden beschrieben.

Wichtige Kriterien bei der Auswahl eines industriellen PHYs

Bei industriellen Anwendungen sind eine hohe Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit der Datenübertragung bzw. des Netzwerks über einen weiten Temperaturbereich erforderlich. Dementsprechend müssen alle Komponenten diesen Anforderungen genügen.

Netzwerkzykluszeiten: Die Netzwerkzykluszeit ist die Dauer, die der Controller benötigt, um Daten der angeschlossenen Geräte zu erfassen und zu aktualisieren. Ein PHY mit geringer Latenz verkürzt die Netzwerkzykluszeit, wodurch sich die Netzwerkaktualisierungszeit verbessert, was insbesondere für zeitkritische Applikationen wichtig ist. Dadurch können mehr Geräte an das Netzwerk angeschlossen werden.

Störanfälligkeit/Robustheit: In industriellen Anwendungen findet man oftmals raue Betriebsumgebungen vor. Ein PHY muss dabei herrschenden externen Einflüssen standhalten, da er direkt bzw. über kleine Trafos (engl. Magnetics) mit den Kabeln verbunden ist, auf die sich die Störungen (abgestrahlt/leitungsgebunden) einkoppeln können.

EMV-Normen wie CISPR 32 und IEC 61000-4-2 bis IEC 6100-4-6 sind Gradmesser dafür, für welche ein PHY spezifiziert sein sollte. Robuste PHYs erleichtern die Zertifizierung und verhindern meist aufwendige Redesigns.

Verlustleistung und Temperaturbereich: Geräte für industrielle Anwendungen sind in der Regel nach IP65/IP66 gegen Staub und Feuchtigkeit abgedichtet. Dadurch ist der Luftstrom, der für die Kühlung der Elektronik sorgt, eingeschränkt. Gleichzeitig sind diese Geräte in industriellen Umgebungen oft hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Des Weiteren werden für Linien- und Ringtopologien zwei Ethernet-Anschlüsse und damit zwei PHYs benötigt, wodurch sich die PHY-Verlustleistung für die Datenein- und -ausgabe verdoppelt.

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Aufgrund dieser Gegebenheiten sollten Sie PHYs mit geringer Verlustleistung auswählen, damit die Eigenerwärmung gering gehalten werden kann.

* Thomas Brand arbeitet als Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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