使用支持 IPv4/IPv6 IoT 的以太网 MCU 与 PHY 支持进行工作

已创建：June 15, 2021
已更新：July 1, 2024

小型MCU是大多数消费级物联网产品和一些工业应用的主力军。如果您需要一个小型、低成本的芯片，具有适度的计算能力和一系列的速度，市场上有很多MCU的选项。MCU还带有大量低速接口连接到其他外设，使MCU成为大多数物联网产品的灵活平台。

当我们想到物联网产品或其他嵌入式设备时，我们通常会想到它们通过Wifi或蓝牙连接。这在消费级别可能是真的，例如对于可穿戴设备和智能家居产品。然而，以太网并不会很快消失，许多商业和工业应用将大量使用以太网进行通信。还有以太网供电（PoE）需要考虑，这为设计师为其嵌入式设备供电提供了一个有用的选项。

如果您想使用以太网在您的嵌入式设备和更大的网络之间进行通信，您需要将MAC/PHY层集成到您的设备中，以便您可以正确地与标准RJ-45插孔接口。如果您想最小化系统的大小，您可以使用一个集成了PHY和MAC支持的以太网MCU。以下是采用这种方法的一些好处，以及您可以在市场上找到的一些组件。

选择带有PHY/MAC的以太网MCU

对于新的以太网设计师来说，首先要注意的是：MCU并不包括集成到芯片中的以太网PHY层。话虽如此，一些MCU确实包括了连接到PHY层所必需的MAC接口（即，磁性电路、Bob Smith终止，然后是连接器）。您也可以直接路由到一个集成了磁性（magjack）的RJ-45。

如果您选择使用集成了以太网PHY/MAC支持的MCU，您可以期望这些组件有什么样的性能水平？鉴于任何MCU中的广泛功能，预期的性能水平和功能集取决于您可以接受的占地面积和您愿意支付的成本。如果您想使用带有以太网的MCU，您可能需要牺牲一些其他功能。我们下面将展示的一些组件仍然包括大多数MCU中您所期望的所有标准接口，包括：

UART、I2C、SPI或其他总线接口
集成了主机接口的USB 2.0或3.0
大量的GPIO用于与其他ICs接口
可调占空比的PWM输出

重要规格

虽然我们不能概括每个带有以太网的MCU的规格，但我们可以从领先的组件制造商那里看到这些设备的一些普遍趋势：

成本：带有以太网功能的MCU的价格因所需的功能和I/O数量而大不相同。一般来说，每一个支持Wifi/Bluetooth的MCU，都有另一个带有以太网功能、成本和I/O数量相似的MCU。
封装：这些MCU采用标准的表面贴装封装（QFN、TQFP等），与其他具有相似规格的MCU封装足够接近。一些组件采用VFBGA封装以节省小型电路板上的空间。
时钟速度和Base-T标准：这两点通常是相关的，因为以太网中的数据传输速率受到控制器时钟速度的限制。带有以太网功能的MCU基本上将收发器集成到了组件中。典型的组件足够快，能够支持10/100以太网，并集成了PHY和MAC。
其他接口：你几乎找不到一个带有以太网功能的MCU，而它没有标准的低速接口（大量的GPIO + SPI/I2C/UART）。一些高端组件还能支持USB、CAN或其他接口。

考虑到这些，有些应用场景最好放弃无线连接，直接使用以太网。其中的优势包括简单性、无需无线接入点的远距离连接，最重要的是，成本和尺寸。你还可以利用IEEE 1588精确时间控制通过MII/RMII路由进行实时数据应用，这样可以很好地消除蓝牙或Wifi的延迟。最后，这通过消除外部MAC芯片来减少总体组件数量，以实现与PHY层接口。

如果你正在设计一个将包含以太网的嵌入式设备，还有其他一些点需要考虑。除了需要其他高速接口如USB外，还需要考虑你的设备如何融入更大的网络拓扑结构，因为这将影响你的MCU选择。一些以太网MCU不能用于通过互联网向用户提供Web界面，而其他一些则可以用来构建嵌入式服务器、网关或在更大网络上的接入点。

网络基础设施和IP地址分配

大约20年前，IP地址市场开始变得紧张，传统的IPv4地址开始变得紧缺。尽管在1990年代末就预见到IPv4地址的耗尽，但直到2012年才分配最后一个IPv4地址，并且在2017年采用了新的IPv6标准。除了互联网时代的增长外，推动向新的IPv6格式转移的一个主要驱动力是需要连接到互联网的低成本嵌入式设备的增长（无论是直接作为服务器还是通过路由器间接连接）。

具有IPv6地址的IPv4和IPv6设备的网络拓扑。

许多MCU模块和组件可以通过连接到调制解调器，支持通过以太网或无线方式实现这种类型的网络集成架构。现在，随着越来越多的设备集成了板载蜂窝通信调制解调器，终端客户端设备可能不需要以太网，除非它们需要连接到本地并需要非常可靠的连接（办公室、工厂车间等）。

包括具有IPv6支持的以太网PHY/MAC的MCU，在任何与IPv4相同的应用中都将找到适用性。有一个关于IPv6与IPv4不向后兼容的误解，但这种兼容性是通过网络地址转换（NAT）来处理的。有一种定义了的IPv6地址格式，其中包含了嵌入的IPv4地址和设备的MAC地址，这特别通过NAT实现了向后兼容。这意味着，只要它能支持这种转换，你就可以将你的以太网兼容的嵌入式设备配置为上游服务器/路由器/接入点。

带有以太网的示例MCU

如果你是工业系统、家庭自动化或其他商业领域的嵌入式设计新手，你可能忽略了支持以太网的MCU的可用选项。许多主要的IC制造商在其受欢迎的产品线中提供了具有以太网功能的MCU。以下是市场上一些支持以太网的MCU产品。

意法半导体，STM32F40x

STM32F40x系列是意法半导体非常受欢迎的STM32 MCU家族的一部分。这些组件支持更强大的计算任务（32位，168 MHz），并且得益于它们的3个高速ADC（2.4 MSPS，或使用交错时为7.6 MSPS），可以与广泛的传感器接口。一些产品还包括DAC，用于诸如任意波形生成之类的任务。这些组件最多可提供176个引脚，以灵活的占地面积和IO数量选项，同时仍支持常见的低速接口，以及USB。

STM32F4x带有PHY层的以太网MCU框图。来源：STM32F4x数据手册。

Microchip，PIC18F97J60

Microchip的PIC18F97J60是一个低成本选项，提供了集成的10/100以太网以及对RS-485、RS-232和LIN/J2602等工业应用接口的支持。这款MCU的优势在于它提供了你在MCU中期望的所有标准接口，而不会因为GPIO引脚过多而增加成本，每个单元的成本不到10美元。你可以直接连接到集成了磁性元件的RJ-45，为构建新的带有以太网的IoT产品提供了一种简单的方式。缺点是慢速时钟率（来自25 MHz参考源）和8位处理，因此最适合轻量级嵌入式计算。

这款MCU由于具备RS-485/RS-232接口，是工业应用的好选择。它还可以通过其PWM驱动输出进行接线，以支持半桥或全桥电机控制等应用。这种配置将MCU的PWM输出与外部FET驱动器相结合，然后通过在输出PWM信号上施加相位差来驱动负载。通过添加带有精密感测电阻的反馈环路，同样的配置可用于实现电源转换器或其他需要在高电流下对负载进行调节驱动的系统中的控制算法。

PIC18F97J60以太网MCU半桥和全桥驱动配置。来源：PIC18F97J60数据手册。

德州仪器，MSP432E4x

作为广受欢迎的MSP432系列的一部分，德州仪器的MSP432E4x是集成了以太网支持的32位MCU。这款组件有两种型号。MSP432E401Y支持CAN，并包含1 MB集成Flash和256 KB RAM。而MSP432E411Y具有相同的规格，但还支持TFT LCD显示屏。其他集成功能包括2个12位ADC（2 MSPS）、加密支持、3个模拟比较器和16个数字比较器。最后，这款MCU可以使用IPv4或IPv6地址（TCP、UDP和ICMP）操作。

MSP432E4x NFBGA封装和焊盘图案。来源：德州仪器。

嵌入式设备所需的其他组件

嵌入式系统不仅仅停留在MCU和网络功能上。设计师可能需要其他组件来弥补MCU中缺少的以太网功能。当您需要为系统中的关键功能添加更多硬件功能时，请查看您可能需要的其他组件，以用于新的物联网产品：

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