Trygge data i farlig farvann - Elektronikknett
MCA733 - Eyecatcher

Trygge data i farlig farvann

Det er mye kan sette kjepper i hjulene for sikker kommunikasjon. Men fremskritt innen Ethernet-teknologien gjør den trygg å implementere i tøffe miljø.

Elektrisk støy fra omgivelsene kan være drepende for ledningsbasert kommunikasjon. Gjennom både utstråling og kopling kan kommunikasjonsytelsen påvirkes av tapte datapakker eller verre, ved interferens med annen elektronikk. Selv robuste teknologier som tradisjonelt Ethernet lide under virkningene av støy når de brukes i stadig tøffere miljøer, som bil og industrielle styringer.

Åpner for Ethernet
Den gode nyheten er at nye teknologier som demper støy og begrenser følsomheten er på vei ut i markedet. Det åpner for Ethernet som en anvendelig kommunikasjonsteknologi for tøffe omgivelser.

La oss til å begynne med bygge opp en forståelse av de underliggende faktorene som påvirker Ethernet-kommunikasjon.

Elektromagnetisk kompatibilitet
Ved overføring av data over lange avstander er ledningene gjenstand for støyutstråling og -kopling. Elektromagnetisk kompatibilitet Compatibility (EMC) er vitenskapen om måling av virkningene av disse effektene på produktytelsen i et gitt miljø.

Utstråling
Utstråling oppstår når data sendes gjennom ledningene. Ledningene fungerer som antenne, og stråler ut støy til omgivelsene rundt. I USA er det FCC som regulerer hvilke utstrålingsnivå som er tillatt. Det er separate klasser, A og B, som definerer disse nivåene for private- eller bedriftsmiljø. Dette skal sikre at produkter og systemer ikke forårsaker problemer når de installeres nær hverandre.

Kopling
Kopling er den andre komponenten som måles under studier av EMC. Støy som koples på kommunikasjonsledninger fra nærliggende kilder kan forårsake interferens, som reduserer kapasiteten i systemet eller forårsaker direkte feilfunksjon.

MCA733 - Figure 1 Figur 1 - Konstruksjon av Ethernet-kabelen

Målet med å studere et produkts EMC er å redusere disse effektene, slik at systemene kan arbeide sammen uten problemer.

Bell fant på det
For å redusere interferens benytter Ethernet metoder for kabling og signalering, det vil si differensiell signalering og tvinnede parkabler (Figur 1), noe som først ble oppfunnet av Alexander Graham Bell.

Et tvunnet parforhold
Ved å sende signaler med motsatt polaritet, dvs. differensielt, reduseres mengden av utstråling, ettersom de utjevner hverandres støymønstre. De blir også mer motstandsdyktige mot støy, ettersom den differensielle mottageren kan skille mellom signaler og støy på en mer effektiv måte.

Når man i tillegg tvinner de differensielle ledningene, vil eventuell støy som koples på signalene være like på begge ledningene, eller i jordmodus. Dette kaller man balansert signalering (Figur 2). I mottageren vil jordmodusstøyen til slutt reduseres ytterligere ved å bruke en transformatorkopling.

Kreves ny teknologi

MCA733 - Figure 2 Figur 2 - Balansert signal

Disse enkle, men effektive måten å forbedre EMC har gjort det mulig for Ethernet å bli en virkelig gjennomgripende teknologi for hjem og kontor. Etter hvert som vi nå går mot å benytte Ethernet i stadig tøffere omgivelser og med lengre kabler (dvs. lengre antenner), som i industrielle produksjonslinjer, elektrisitetsforsyning og styringer i kjøretøy, er EMC-egenskapene blitt viktigere enn noen gang. De genialt enkle teknikkene som ble skapt på Bells tid er i ferd med å bli utilstrekkelige, og det er påkrevd med oppdatert teknologi for å tette hullene.

Forbedrer EMC-egenskapene
For å strekke EMC-ytelsen til Ethernet enda lenger, er det utviklet en teknologi kalt Quiet-WIRE. Denne teknologien bringer med seg to viktige forbedringer for Ethernet-transceiveren. Transceiveren har integrerte aktive filtre som demper støy over 60 MHz. I tillegg har receiveren forbedret støydemping gjennom bruk av digital signalprosessering (DSP), noe Bell ikke hadde tilgjengelig på den tiden. Til sammen kan disse teknologiske nyvinningene forbedre ytelsen i tøffe miljøer betraktelig.

Tåler mye

MCA733 - Figure 3 Figur 3 - Ytelse for PHY med Quiet-WIRE vs. standard PHY

Figur 3 viser resultatet av labtesting med bruk av den såkalte Bulk Current Injection (BCI) metoden, en allment akseptert metode for å teste EMC-ytelse. Dataene viser feilfri overføring selv i nærvær av en påtrykt 200 mA støystrøm, over hele frekvensområdet fra 1 MHz til 400 MHz for transceivere med Quiet-WIRE teknologien. Dette møter OEM-kravene til bilindustrien, som i dag representerer noen av de strengeste standardene.

I motsetning til dette vil en receiver uten Quiet-WIRE teknologi ha en degradering av signalet på omkring 9 dBm, hvilket representerer en 10 ganger dårligere ytelse.

Måler signalkvalitet
Quiet-WIRE teknologien omfatter også en signalkvalitets-indikator som anslår et signal-støyforhold, og er et mål på kabellengde, kabelkvalitet og koplet omgivelsesstøy. En viktig fordel ved signalkvalitets-indikatoren åpenbarer seg gjennom raskere installasjonstid for systemet. Ved å studere indikatorverdien, kan teknikeren få en sanntids representasjon av de miljømessige forholdene som påvirker systemet. Dersom det har høye verdier av omgivelsesstøy, kan signalkvalitets-indikatoren varsle teknikeren om at støykilden må korrigeres, eller kabelen re-rutes, før systemet åpnes for produksjon. Dette kan spare betydelige kostnader i form av feilsøking og service, avbrutt og/eller uregelmessige tjenester, og ikke minst lite optimal ytelse.

Quiet-WIRE er her

MCA733 - Figure 4 Figur 4 - Nettverksdiagram for et kjøretøy.

Microchip Technology har utviklet en komplett portefølje av Quiet-WIRE baserte produkter for implementering i tøffe miljø. Figur 4 viser et typisk blokkdiagram for nettverk i kjøretøy, ved bruk av Ethernet og produkter som er tilgjengelig i dag. Både KSZ8061 PHY og KSZ8567 Switch anvender Quiet-WIRE, som kan aktiveres ved å utnytte muligheter for pinnestrapping under produksjon, uten behov for programvareaksjoner.

Tryggere farvann
Microchip tilbyr 24 Ethernet-produkter med Quiet-WIRE teknologi, inkludert AEC-Q100 kvalifiserte produkter som støtter utvidete temperaturområder, opp til 105⁰C. Så det er fritt frem å bevege seg videre inn i ”farlig farvann” med støyende kommunikasjonsomgivelser med Ethernet. Ved bruk av produkter med Quiet-WIRE teknologi, kan du forvente pålitelig kommunikasjon med forbedret EMC-ytelse, og trygghet for at systemet vil fortsette å fungere godt gjennom hele levetiden for applikasjonen.

Kommentarer