【導讀】在工廠(chǎng)自動(dòng)化應用中，由于現場(chǎng)設備節點(diǎn)數量與日俱增，同時(shí)對于自動(dòng)化設備加工精度與實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，傳統的串行工業(yè)總線(xiàn)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)同步性與大規模數據傳輸的要求。以太網(wǎng)逐漸成為主流，基于以太網(wǎng)全球主流OEM開(kāi)發(fā)確定性網(wǎng)絡(luò )工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議包括Profinet, Ethercat, Powerlink等。這些協(xié)議都需要以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)，以太網(wǎng)PHY主要負責。目前工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)速率以10/100M速率為主，下一代工業(yè)總線(xiàn)技術(shù)將會(huì )基于TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )）與速率1000M及以上的以太網(wǎng)協(xié)議。
在進(jìn)行以太網(wǎng)口功能調試過(guò)程中，最常見(jiàn)的問(wèn)題是兩個(gè)端口之前無(wú)法正確建立物理層鏈接。所以本文檔的內容基于TI以太網(wǎng)PHY產(chǎn)品DP83822，介紹以太網(wǎng)網(wǎng)口自協(xié)商（Auto-Negotiation）功能現象，正確的測試波形與Strap電阻設置。
1. 介紹
OSI模型定義了7層網(wǎng)絡(luò )模型，以太網(wǎng)MAC層對應OSI模型中的第二層-數據鏈路層，以太網(wǎng)PHY對應OSI模型中的第一層-物理層。對于以太網(wǎng)而言，物理層的主要功能是將在網(wǎng)線(xiàn)或者光纖中傳輸的原始數據（電壓，電流等）轉化為可被接收且符合協(xié)議的數字信號，其為數據鏈路層提供物理連接。物理層主要規定了信號電壓，頻率，引腳功能，阻抗等。作為網(wǎng)絡(luò )通訊的基礎，只有在物理層成功建立鏈接后，通信數據才能在端口之間進(jìn)行傳輸。以太網(wǎng)PHY承擔了物理層鏈接的所有工作，只有PHY工作在正確配置下，通信鏈路才能正常工作。下面會(huì )以10M/100M以太網(wǎng)PHY為例，說(shuō)明物理層鏈接建立方式 – 自動(dòng)協(xié)商及如何檢通過(guò)檢測TRX_P/N管腳波形判斷DP83822是否正確開(kāi)啟該功能。
2. DP83822自動(dòng)協(xié)商（Auto-Negotiation）功能
根據IEEE802.3，自動(dòng)協(xié)商模式功能是以太網(wǎng)端口根據另一個(gè)端口的設備鏈接速度，雙工模式，自動(dòng)把本端口的速度和工作模式調節到兩個(gè)端口可以支持的最高水平。自協(xié)商協(xié)議的主要內容包括：雙工模式，運行速率等。自動(dòng)協(xié)商功能完全由物理層PHY芯片實(shí)現，無(wú)需額外數據包和高層協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)。根據廣播通信速率10M或者100M的不同，自動(dòng)協(xié)商功能提供兩種模式NLP（Figure 6）和FLP（Figure 2）。
DP83822I（工業(yè)版本）支持10M – 10Base- TE模式和100M – 100Bast – TX模式
10Base-TE自動(dòng)協(xié)商模式（10M）
使用單獨10Base-TE廣播自動(dòng)協(xié)商模式時(shí)， PHY芯片會(huì )通過(guò)Figure 1中TXD_P, TXD_N和RXD_P，RXD_N發(fā)送NLP（Normal Link Pulse）普通鏈路脈沖，每個(gè)脈沖間隔16ms。為了同時(shí)兼容T568A直連網(wǎng)線(xiàn)和T568B交叉網(wǎng)線(xiàn)，所以在收發(fā)端同時(shí)廣播NLP，根據對方對口的監聽(tīng)情況判斷是否使用自動(dòng)交叉線(xiàn)切換功能（Auto-MDIX）。
100Base-TX自動(dòng)協(xié)商模式（100M）
使用100Bast-TX自動(dòng)協(xié)商模式時(shí)， PHY芯片會(huì )通過(guò)Figure 1中TXD_P, TXD_N和RXD_P，RXD_N發(fā)送FLP（Fast Link Pulse）快速鏈路脈沖。由于100Base-TX自動(dòng)協(xié)商模式由100Base-T向10Base-T兼容，如果對方端口只能支持10M以太網(wǎng)，則兩側都會(huì )判定為10Base-T。為了同時(shí)兼容T568A直連網(wǎng)線(xiàn)和T568B交叉網(wǎng)線(xiàn)，所以在收發(fā)端同時(shí)廣播FLP，根據對方對口的監聽(tīng)情況判斷是否使用自動(dòng)交叉線(xiàn)切換功能（Auto-MDIX）。
Figure 1 DP83822原理圖
開(kāi)啟自動(dòng)協(xié)商模式：TXD_P/N引腳波形
測試使用DP83822I評估模塊[1]，默認電阻與寄存器配置，在無(wú)網(wǎng)線(xiàn)連接其他以太網(wǎng)端口的情況下。通過(guò)觀(guān)測TXD_P引腳波形可以判斷芯片是否在進(jìn)行自動(dòng)協(xié)商。
當無(wú)其他端口與本端口連接時(shí)，自動(dòng)模式下TXD_P/N引腳發(fā)送的FLP波形為Figure 2。TXD_P/N會(huì )持續發(fā)送FLP信號給遠端以太網(wǎng)端口，同時(shí)TXD_P/N也會(huì )監聽(tīng)對端是否通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)傳輸FLP信號。每幀FLP脈沖發(fā)送時(shí)間間隔16ms。直流共模電壓3.3V，單端峰值電壓5.2V。
Figure 2 100base-TX自動(dòng)協(xié)商 FLP信號
如果對單幀脈沖周期進(jìn)行放大可以觀(guān)察到FLP信號包含多個(gè)脈沖信號。最大數量為33個(gè)脈沖，第一個(gè)脈沖和最后一個(gè)脈沖為時(shí)鐘脈沖，每?jì)蓚€(gè)時(shí)鐘脈沖之間為數據脈沖。當數據脈沖出現時(shí)，該比特位為’1’，當數據脈沖為0時(shí)，該比特位為’0’。雙工模式，速率等信息就包含在16個(gè)數據脈沖之中，如Figure 3所示。
Figure 3 100base-TX自動(dòng)協(xié)商 單幀FLP信號
如Figure 4所示，單個(gè)脈沖TXD_P和TXD_N幅值相同，相位相差180度差分信號。
Figure 4 100base-TX自動(dòng)協(xié)商 TXD_P/N差分信號（紅色TXDP-TXDN） 峰值為3.3V
關(guān)閉自動(dòng)協(xié)商模式：TXD_P/N引腳波形
使用DP83822I評估板，在上電后使用工具[2]將0x0000(BMCR) BIT12更改為’0’，關(guān)閉自動(dòng)協(xié)商模式。此時(shí)得到Figure 5，由圖可知TXD_P不再發(fā)送FLP脈沖群，而是在持續發(fā)送MLT-3信號。發(fā)送MLT-3表示PHY認為此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入強制100Base-TX, Figure 5表示以太網(wǎng)PHY工作在100Bast-TX的空閑狀態(tài)。
Figure 5 100Base-TX以太網(wǎng)特征信號（MTL-3電平）- 自動(dòng)協(xié)商功能關(guān)閉
此時(shí)將0x0000(BMCR) BIT13設置為’0’，即將以太網(wǎng)速度從100M變?yōu)?0M。此時(shí)TXD_P/N在持續發(fā)送NLP信號，因為10Base-TE 空閑模式與NLP信號相同。此時(shí)PHY進(jìn)入強制10Base-TE模式。
Figure 6 10Base-TE NLP - 自動(dòng)協(xié)商功能關(guān)閉
從以上測試結果可以發(fā)現，通過(guò)示波器觀(guān)察TXD_P/N引腳信號可以對以太網(wǎng)PHY（例如DP83822I）上電后的鏈接電路的模式和狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。在現在通用以太網(wǎng)PHY的設計中，通常建議開(kāi)啟自動(dòng)協(xié)商模式支持最高速率與全雙工模式（Auto-Negotiation），當在無(wú)遠端以太網(wǎng)端口鏈接的情況下，應能在TXD_P/N引腳觀(guān)側到Figure 2和Figure 3波形。
自動(dòng)協(xié)商模式Strap電阻配置
DP83822I在上電完成之后，需要默認使能自動(dòng)協(xié)商模式，且保證最快速率和全雙工模式，最重要的一點(diǎn)是保證基礎模式選擇正確，即AN_EN=1, AN_1=1, AN_0=1。
Figure 7 自動(dòng)協(xié)商模式可配置的
相關(guān)引腳的電阻配置如Figure 8所示，根據[3]可以得到RX_D0, RX_D3和LED_0的推薦電阻配置如下:
Figure 8 自動(dòng)協(xié)商模式相關(guān)Strap電阻配置
RX_D0引腳電阻配置：
MODE1（上拉電阻：OPEN; 下拉電阻：OPEN）和MODE4（上拉電阻：2.49k Ohm；下拉電阻：OPEN）。
RX_D3引腳電阻配置：
MODE1（上拉電阻：OPEN; 下拉電阻：OPEN）和MODE4（上拉電阻：2.49k Ohm；下拉電阻：OPEN）。
LED_0引腳電阻配置：
MODE3（上拉電阻：6.2k Ohm; 下拉電阻：1.96k Ohm）和MODE4（上拉電阻：OPEN；下拉電阻：OPEN）。
3. 參考文檔
[1] DP83822 EVM: http://www.ti.com/lit/ug/snlu179/snlu179.pdf
[2] USB to MDIO Serial Management Tool: http://www.ti.com/tool/USB-2-MDIO
[3] 4-Level Strap Device Configuration: http://www.ti.com/lit/an/snla258/snla258.pdf
[4] https://www.iol.unh.edu/sites/default/files/knowledgebase/ethernet/Copper_ANEG_JEFF_LAPAK.pdf
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