ภาพรวม

การเชื่อมต่อไร้สายได้รับความสนใจมากที่สุดในการออกแบบผลิตภัณฑ์ฝังตัว แต่ Ethernet แบบมีสายยังคงเป็นหัวใจหลักของระบบอุตสาหกรรมและระบบที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงด้วยเหตุผลที่ยังคงเหมือนเดิม คือ มีความไวต่อการรบกวนจากคลื่นวิทยุ (RF) จากมอเตอร์และอุปกรณ์สวิตช์ที่อยู่ใกล้เคียงน้อยกว่ามาก สามารถส่งทั้งพลังงานและข้อมูลผ่านสายเคเบิลเพียงเส้นเดียว และไม่ขึ้นอยู่กับความพร้อมใช้งานของคลื่นความถี่หรือการทำงานของจุดเชื่อมต่อ ระบบฝังตัวใดๆ ที่จะนำไปใช้ในโรงงาน ห้องเครื่องยนต์ของเรือ หรือห้องควบคุมของอาคาร ล้วนต้องการอินเทอร์เฟซ Ethernet ที่ได้รับการออกแบบด้วยความเอาใจใส่เช่นเดียวกับอินเทอร์เฟซไร้สาย

เหตุใดจึงควรเลือกใช้สายอีเธอร์เน็ตแทนแบบไร้สาย

การเชื่อมต่อไร้สายใช้คลื่นความถี่ร่วมกับอุปกรณ์วิทยุอื่นๆ ที่อยู่ในระยะ และสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่เต็มไปด้วยมอเตอร์, VFD และแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งนั้นเป็นสภาพแวดล้อม RF ที่ไม่เอื้ออำนวยอย่างแท้จริง การสูญเสียแพ็กเก็ตและการลองส่งซ้ำเป็นเรื่องปกติ ไม่ใช่ข้อยกเว้น ในพื้นที่ที่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าสูงซึ่งความน่าเชื่อถือมีความสำคัญที่สุด ในทางตรงกันข้าม การเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตแบบใช้สายจะเสื่อมสภาพอย่างคาดการณ์ได้: ความผิดพลาดของสายเคเบิลจะแสดงออกมาเป็นเหตุการณ์การเชื่อมต่อล้มเหลวอย่างชัดเจน แทนที่จะเป็นรูปแบบการสูญเสียแพ็กเก็ตที่ไม่ต่อเนื่องและวินิจฉัยได้ยาก อีเธอร์เน็ตยังรองรับการสื่อสารแบบกำหนดได้และมีความคลาดเคลื่อนต่ำเมื่อแอปพลิเคชันต้องการ ซึ่งเป็นสิ่งที่ Wi-Fi สำหรับผู้บริโภคไม่เคยออกแบบมาเพื่อรับประกัน นั่นคือเหตุผลที่ระบบควบคุมที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยและระบบควบคุมแบบวงปิดยังคงใช้การเชื่อมต่อแบบใช้สายเป็นค่าเริ่มต้น แม้ในสถานที่ที่ใช้ระบบไร้สายทุกที่ รวมถึงWi-Fi, LoRa และการเชื่อมต่อเซลลูลาร์ที่กล่าวถึงในส่วนอื่นๆ ของบล็อกนี้

อินเทอร์เฟซ PHY, MAC และอินเทอร์เฟซฝังตัวทั่วไป

การเพิ่ม Ethernet เข้าไปในการออกแบบระบบฝังตัว หมายถึงการเลือกระหว่างการใช้ MAC ในตัวของไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่าน RMII หรือ MII ไปยังชิป PHY ภายนอก หรือการถ่ายโอนสแต็ก TCP/IP ทั้งหมดไปยังตัวควบคุม Ethernet ที่เชื่อมต่อผ่าน SPI เช่น WIZnet W5500 หรือ W5100S วิธีการใช้ตัวควบคุม SPI นั้นง่ายกว่าสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ไม่มี MAC Ethernet ในตัว — มันจะส่งสแต็กทั้งหมดไปยังชิปที่เชื่อมต่อและสื่อสารกับมันเหมือนกับอุปกรณ์ต่อพ่วง SPI อื่นๆ แต่ก็อาจมีข้อเสียในด้านปริมาณงานเมื่อเทียบกับการใช้ MAC/PHY ในตัว ชิ้นส่วน STM32 ที่มี MAC Ethernet ในตัว ร่วมกับ PHY ภายนอกผ่าน RMII เป็นตัวเลือกที่นิยมใช้มากกว่าเมื่อการออกแบบต้องการปริมาณงานที่สูงขึ้น หรือเมื่อเลือกใช้สถาปัตยกรรม STM32 อยู่แล้ว — ดูการเปรียบเทียบไมโครคอนโทรลเลอร์ ของเรา สำหรับรายละเอียดว่าการตัดสินใจนี้มีผลต่อการเลือกแพลตฟอร์มโดยรวมอย่างไร และคู่มือการออกแบบ PCB ความเร็วสูง ของเรา สำหรับรายละเอียดด้านการจัดวางเส้นทาง RMII และแม่เหล็กอย่างถูกต้อง

การจ่ายไฟผ่านสายอีเธอร์เน็ตสำหรับอุปกรณ์ระยะไกล

Power over Ethernet (PoE) ช่วยให้สายเคเบิลเพียงเส้นเดียวสามารถส่งทั้งข้อมูลและพลังงานไปยังอุปกรณ์ระยะไกล ซึ่งมีประโยชน์อย่างมากสำหรับเซ็นเซอร์และตัวควบคุมในสถานที่ที่ไม่มีสายไฟ AC ที่สะดวก – ซึ่งเป็นข้อกำหนดทั่วไปในระบบตรวจสอบทางทะเลและระบบอัตโนมัติในอาคาร การออกแบบอินพุต PoE หมายถึงการเพิ่มวงจรแปลงไฟ DC-DC แบบแยกส่วนที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับคลาส PoE ที่อุปกรณ์ต้องการ (IEEE 802.3af/at/bt กำหนดงบประมาณพลังงานที่เพิ่มขึ้น) และการให้ฉนวนกั้นนั้นมีระยะห่างและการคืบคลานที่เหมาะสมบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) – รายละเอียดที่มักถูกมองข้ามจนกว่าการออกแบบจะไม่ผ่านการรับรองความปลอดภัยเนื่องจากระยะห่างที่ดูดีบนหน้าจอ แต่ไม่เหมาะสมบนแผงวงจรจริง

โปรโตคอลอุตสาหกรรมผ่านอีเธอร์เน็ต

อีเธอร์เน็ตยังเป็นเลเยอร์ทางกายภาพภายใต้โปรโตคอลฟิลด์บัสอุตสาหกรรมสมัยใหม่ส่วนใหญ่ Modbus TCP ห่อหุ้มโมเดลรีจิสเตอร์ Modbus ที่คุ้นเคยไว้ในแพ็กเก็ต TCP/IP มาตรฐาน ทำให้เป็นเส้นทางการย้ายระบบที่ง่ายที่สุดสำหรับระบบที่ใช้ Modbus RTU แบบอนุกรมร่วมกับลูปสัญญาณ 4-20mA อยู่แล้ว EtherCAT และ PROFINET ก้าวไปอีกขั้น โดยใช้ส่วนขยายแบบเรียลไทม์บนฮาร์ดแวร์อีเธอร์เน็ตมาตรฐานเพื่อให้ได้เวลาวงจรที่แน่นอนและต่ำกว่ามิลลิวินาที ซึ่งเป็นสิ่งที่การควบคุมการเคลื่อนไหวและระบบอัตโนมัติแบบวงปิดต้องการ — ประสิทธิภาพด้านเวลาที่สแต็ก TCP/IP ทั่วไปไม่สามารถรับประกันได้ด้วยตัวเอง การเลือกใช้ระหว่างสองระบบนี้ขึ้นอยู่กับสิ่งที่ส่วนที่เหลือของโรงงานใช้งานอยู่แล้วและงบประมาณด้านเวลาของลูปควบคุมนั้นเข้มงวดเพียงใด การติดตั้งอีเธอร์เน็ตแบบเรียลไทม์ลงในระบบที่ออกแบบโดยใช้ Modbus TCP ธรรมดาเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ใหญ่กว่าการเลือกให้ถูกต้องตั้งแต่เริ่มต้นมาก

ข้อควรพิจารณาด้านความน่าเชื่อถือ, EMC และการเดินสายเคเบิล

พอร์ต Industrial Ethernet จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงแยกวงจร (โดยปกติจะติดตั้งอยู่ในตัวเชื่อมต่อ RJ45) ระหว่าง PHY กับสายเคเบิล เพื่อป้องกันกระแสลูปกราวด์และพลังงานกระชากไม่ให้เข้าถึงวงจรดิจิทัลที่ไวต่อกระแสไฟ รวมถึงการป้องกัน TVS ที่ด้านสายสำหรับอุปกรณ์ที่สัมผัสกับไฟกระชากจากฟ้าผ่าหรือกระแสไฟชั่วขณะจากการสลับมอเตอร์ สายเคเบิลและตัวเชื่อมต่อแบบมีฉนวนหุ้มมีความสำคัญมากกว่าในตู้ควบคุมอุตสาหกรรมที่เต็มไปด้วย VFD และคอนแทคเตอร์ มากกว่าในสำนักงาน และการต่อสายดินที่ปลายด้านเดียว (หรือตามสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวนเฉพาะ) จะช่วยหลีกเลี่ยงการเกิดลูปกราวด์แบบเดียวกันกับที่หม้อแปลงแยกวงจรถูกออกแบบมาเพื่อป้องกัน นี่คือประเภทของความล้มเหลวเดียวกันกับที่กล่าวถึงในคู่มือของเราเกี่ยวกับความล้มเหลวของระบบฝังตัวทั่วไปปัญหาความน่าเชื่อถือของ Ethernet ส่วนใหญ่เกิดจากการละเลยการแยกวงจรหรือการลัดขั้นตอนการต่อสายดินเพื่อประหยัดพื้นที่บนแผงวงจร

เมื่อใดควรใช้งาน Ethernet ร่วมกับระบบไร้สาย

ทั้งหมดนี้ไม่ได้หมายความว่าระบบไร้สายใช้ไม่ได้ ผลิตภัณฑ์หลายอย่างใช้สายอีเธอร์เน็ตเป็นเส้นทางควบคุมและความปลอดภัยหลัก ในขณะที่เพิ่ม Wi-Fi หรือเครือข่ายเซลลูลาร์สำหรับแดชบอร์ด การตรวจสอบระยะไกล หรือการอัปเดตเฟิร์มแวร์ที่ไม่ต้องการความเสถียรในการใช้งานมากนัก หลักการออกแบบที่ยังคงใช้ได้ไม่ว่าจะใช้การผสมผสานแบบใดก็ตาม คือ สิ่งใดก็ตามที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยหรือมีความสำคัญต่อเวลา ควรใช้การเชื่อมต่อแบบมีสาย และสิ่งใดก็ตามที่สามารถทนต่อการลองใหม่หรือการหยุดชะงักเป็นครั้งคราวได้ เช่น การส่งข้อมูลทางไกลเพื่อการควบคุม การเชื่อมต่อแอป การอัปเดต OTA ก็สามารถใช้ระบบไร้สายแทนได้